Đề cương bài giảng hóa sinh môi trường

MỞ ĐÂU Hóa sinh học khoa học nghiên cứu sở phân tử sống: thành phần cấu tạo hóa học (hóa sinh tĩnh), trình chuyển hóa chất tế bào thể (hóa sinh động), sở hóa học trình hoạt động sống (hóa sinh chức năng) Mặt khác, tùy theo đối tượng sinh vật nghiên cứu, phân thành : Hóa sinh động vật, hóa sinh thực vật, hóa sinh vi sinh vật Do đối tượng hóa sinh khác thời gian, không gian Hóa sinh học sử dụng chủ yếu phương pháp hóa học, phương pháp hóa lí, nhiên nhiều năm gần sử dụng tất phương pháp vật lý đại phương pháp nhiễu xạ rownghen, phương pháp cộng hưởng từ điện tử, cộng hưởng từ hạt nhân, phương pháp đồng vị phóng xạ đánh dấu… Lịch sử hình thành phát triển hóa sinh gắn liền với thành tựu hóa hữu cơ, sinh lý học, y học ngành khoa học khác Các nghiên cứu hóa sinh cuối kỷ 18 Tuy nhiên đến cuối kỷ 19 đầu kỷ 20 hóa sinh học trở thành ngành khoa học độc lập Lược sử phát triển Hóa sinh học : - Nửa đầu kỷ 19, kiện Vole tổng hợp ure chứng tỏ tổng hợp chất hữu thể sống mà không cần lực sống Trong thời kỳ có nhiều công trình nghiên cứu thành phần hóa học tế bào thực vật, tế bào động vật, tách được số enzim : amilaza từ lúa mạch nảy mầm, pepsin từ dày… - Nửa cuối kỷ 19, có nhiều dẫn liệu cấu trúc axit amin, saccarit, lipit, chất liên kết peptit, bắt đầu có nghiên cứu axit nucleic Ngoài bắt đầu tìm hiểu giải thích số trình chuyển hóa chất sống, đặc biệt trình lên men - Nửa đầu kỷ 20, đạt nhiều thành tựu hóa sinh dinh dưỡng, phát số bệnh liên quan đến dinh dưỡng không đủ chất phát hoocmon, vitamin xác đinh vai trò chúng Xác định chất enzim protein Năm 1950 xác định tính chất chủ yếu cấu tạo thể sống đường chuyển hóa chúng thể Từ sau năm 1950 đến đạt thành tựu đáng kể nghiên cứu cấu trúc phân tử protein, axit nucleic, liên quan cấu trúc chức Trong 20 năm gần đây, tổng hợp số orotein có hoạt tính sinh học phương pháp hóa học, công nghệ sinh học ví dụ tổng hợp insulin protein có hoạt tính hoocmon (làm giảm hàm lượng đường máu, sử dụng để điều trị bếnh đái tháo đường) Những hướng nghiên cứu chủ yếu hóa sinh học ngày tiếp tục tìm hiểu trình sinh tổng hợp axit nucleic protein, liên quan biến đổi di truyền trình bệnh lí, chế điều hòa tế bào, chế tác dụng hoocmon…nhằm tiến đến chủ động điều khiển hoạt động trình sống theo hướng có lợi nhất, nhằm bảo vệ môi sinh, bảo vệ người, mô hình hóa trình sống, thực trình sống quy mô công nghiệp, tạo ngày nhiều chế phẩm sinh học, sản phẩm có giá trị để sử dụng công nghiệp, nông nghiệp Như vậy, ngành môi trường, việc nắm vững chế hóa sinh diễn hệ thống tự nhiên môi trường nhân tạo giúp hiểu rõ chất trình sinh học, làm tảng để tiếp cận với nội dung chuyên sâu môn học khác ngành môi trường, nhằm ứng dụng kiến thức hóa sinh nghiên cứu công nghệ xử lý bảo vệ môi trường CHƯƠNG PROTEIN VÀ CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ CHỨA NITƠ 1.1 Protein axit amin 1.1.1 Axit amin: dạng đặc trưng axit amin A Các dạng axit amin Protein polime phân tử lớn cấu tạo từ L- alpha- acid amin Trong phân tử acid amin này, nguyên tử cacbon vị trí alpha so với nhóm cacboxil kết hợp với nhóm amin Công thức cấu tạo chung acid amin: Mặc dù protein đa dạng hầu hết chúng cấu tạo từ 20 loại Lalpha- acid amin Dựa vào đặc tính mạch bên, người ta chia acid amin thành số nhóm sau: - Các acid amin trung tính mạch không vòng Nhóm gồm acid amin : Glycine, Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine Các axit amin có nhóm amin, nhóm cacboxil ( Gly, G) ( Ala, A) ( Val, V) ( Leu, L) ( Ile, I) - Các hidroxil acid amin mạch không vòng Thuộc nhóm có acid amin: Serine Threonine Chúng có nhóm amin, nhóm cacboxil có chứa nhóm - OH H2N- CH- COOH H2N- CH- COOH CH- OH CH2- OH CH3 Threonine ( Thr, T) Serine (Ser, S) - Các acid amin chứa lưu huỳnh mạch không vòng Nhóm gồm hai acid amin Cystein Methionine H2N- CH- COOH H2N- CH- COOH CH2 CH2- SH Cystein ( Cys, C) CH2 S- CH3 Methionine ( Met, M) - Các acid amin acid amit chúng Hai acid amin thuộc nhóm acid Aspatic acid Glutamic, amit hóa hai acid hai amit tương ứng Asparagine Glutamine Aspartic ( Asp, D) Glutamic ( Glu, E) Asparagine Glutamin ( Asn, N) ( Gln, Q) - Các acid amin kiềm Nhóm gồm acid amin là: Arginine, Lysine, Histidine - Các acid amin thơm Các acid amin thuộc nhóm phenylalanine, tyrosine, tryptophan Phenylalanine ( Phe, F) Tyrosine ( Tyr, Y) Tryptophan ( Trp, W) - Iminoacid (Proline) Proline có mạch bên hidrocacbon nhóm amin bậc cacbon alpha kết hợp với mạch bên tạo thành vòng pirolidin Như vậy, proline iminoacid chứa nhóm amin bậc B Đặc trưng axit amin - Tính chất axit – bazơ dung dịch amino axit a) Tác dụng lên thuốc thử màu: (H2N)x – R – (COOH)y Khi: - x = y amino axit trung tính, quỳ tím không đổi màu - x > y amino axit có tính bazơ, quỳ tím hóa xanh - x < y amino axit có tính axit, quỳ tím hóa đỏ b) Tính chất lưỡng tính: Tác dụng với dung dịch bazơ (do có nhóm COOH) H2N–CH2–COOH + NaOH → H2N–CH2–COONa + H 2O + – hoặc: H3N –CH2–COO + NaOH → H2N–CH2–COONa + H2O Tác dụng với dung dịch axit (do có nhóm NH2) H2N–CH2–COOH + HCl → ClH3N–CH2–COOH + – hoặc: H3N –CH2–COO + HCl → ClH3N–CH2–COOH - Phản ứng este hóa nhóm COOH - Phản ứng nhóm NH2 với HNO2 H2N–CH2–COOH + HNO2 → axit hiđroxiaxetic HO–CH2 –COOH + N2 + H2 O - Phản ứng trùng ngưng Do có nhóm NH2 COOH nên amino axit tham gia phản ứng trùng ngưng tạo thành polime thuộc loại poliamit - Trong phản ứng này, OH nhóm COOH phân tử axit kết hợp với H nhóm NH2 phân tử axit tạo thành nước sinh polime - Ví dụ: - Axit amin không thay (axit amin cần thiết) Trong số 20 axit amin tham gia cấu tạo nên protein có số axit amin mà thể người động vật không tự tổng hợp tổng hợp không đầy đủ theo nhu cầu, buộc phải đưa từ vào qua thức ăn Chúng gọi axit amin thiết yếu axit amin không thay Khi thiếu axit amin thiết yếu làm giảm protein tổng hợp, chí lượng tổng hợp protein bị phân giải, kết dẫn đến cân nito âm Số lượng axit amin thiết yếu thay đổi tùy thuộc vào điều kiện riêng biệt loài động vật, lứa tuổi… axit amin: Val, Leu, Ile, Met, Thr, Trp, His, Lys thường axit amin không thay cho người phần lớn động vật Hàm lượng axit amin không thay tỉ lệ chúng tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá chất lượng protein - Axit amin thay (axit amin không cần thiết) Thuộc nhóm gồm 11 axit amin lại chúng axit amin mà thể người động vật tự tổng hợp từ nguyên liệu khác mà không bắt buộc phải đưa từ bên vào theo đường thức ăn 1.1.2 Protein: Cấu trúc, tính chất phân loại protein 1.1.2.1 Vai trò sinh học protein Protein thành phần thiếu tất thể sinh vật lại có tính đặc thù cao cho loài, cá thể loài, quan, mô cá thể Protein đa dạng cấu trúc chức năng, tảng cấu trúc chức thể sống Có thể kể đến số chức quan trọng protein sau: - Vai trò xúc tác Các protein có chức xúc tác phản ứng gọi enzyme Hầu hết phản ứng thể sống từ phản ứng đơn giản hydrat hóa đến phản ứng phức tạp chép mã di truyền enzyme xúc tác Enzim đóng vai trò quan trọng xác định kiểu biến đổi hóa học hệ thống sống, đồng thời làm tăng tốc độ hiệu suất phản ứng Đến biết 3500 enzim, số enzim nghiên cứu kỹ cấu trúc Ví dụ : Các Enzyme thủy phân dày phân giải thức ăn, Enzyme Amylase nước bọt phân giải tinh bột chín, Enzyme Pepsin phân giải Protein, Enzyme Lipase phân giải Lipid - Vai trò vận tải Một số protein có vai trò “xe tải” vận chuyển chất thể Ví dụ: hemoglobin, mioglobin (ở động vật có xương sống), hemoxianin (ở động vật không xương sống) kết hợp với O2 vận chuyển chúng đến khắp mô quan thể Nhờ chất “tải” O2 này, độ hòa tan nước O2 thấp đảm bảo thỏa mãn nhu cầu O2 thể Hemoglobin có vai trò quan trọng vận tải CO2, H+ - Vai trò chuyển động Nhiều protein trực tiếp tham gia trình chuyển động như: co cơ, chuyển vị trí nhiễm sắc thể trình phân bào Ở động vật có xương sống, co vân thực nhờ chuyển động trượt loại sợi protein: sợi to chứa protein miozin sợi mảnh chứa protein actin, tropomiozin troponin Ngày người ta biết vai trò co hầu hết tế bào Eukaryot khác - Vai trò bảo vệ Các kháng thể máu động vật có xương sống protein đặc biệt có khả nhận biết “bắt” chất lạ, virut, vi khuẩn tế bào lạ Như ta thấy protein “lính gác” nhận biết vật lạ để loại trừ chúng khỏi thể - Các interferon protein tế bào động vật có xương sống tiết để chống lại nhiễm vius Tác dụng interferon mạnh, cần nồng độ 10-11 M có hiệu kháng virus rõ rệt Interferon kết hợp vào màng nguyên sinh chất tế bào khác thể cảm ứng lại trạng thái kháng virus chúng - Các protein tham gia trình đông máu có vai trò bảo vệ thể sống khỏi bị máu - Ở số thực vật có chứa protein có tác dụng độc động vật, liều lượng thấp chúng có tác dụng bảo vệ thực vật khỏi phá hại động vật - Vai trò truyền xung thần kinh Một số protein có vai trò trung gian cho phản ứng trả lời tế bào thần kinh chất kích thích đặc hiệu Ví dụ: vai trò sắc tố thị giác rodopxin màng lưới mắt - Vai trò điều hòa Một số protein có chức điều hòa trình truyền thông tin di truyền, điều hòa trình trao đổi chất - Protein tham gia vào trình biểu gen repressor vi khuẩn làm ngừng trình sinh tổng hợp enzim gen tương ứng Ở thể bậc cao điều hòa hoạt động biểu gen theo chế phức tạp protein đóng vai trò quan trọng - Các protein có hoạt tính hormone, protein ức chế đặc hiệu enzyme có chức điều hòa nhiều trình trao đổi chất khác Ví dụ: Hormone Insulin Glucagon tế bào đảo tụy thuộc tuyến tụy tiết có tác dụng điều hòa hàm lượng đường Glucose máu động vật có xương sống - Vai trò kiến tạo chống đỡ học Các protein thường có dạng sợi sclerotin lớp vỏ côn trùng, collagen, elastin mô liên kết, mô xương, collagen đảm bảo độ bền tính mềm dẻo mô liên kết - Vai trò dự trữ dinh dưỡng Protein chất dinh dưỡng quan trọng cho phôi phát triển Ví dụ albumin lòng trắng trứng, gliadin hạt lúa mì, zein ngô Các protein dự trữ khác cazein sữa, feritin (dự trữ sắt) lách Protein thành phần thiếu thể sống, chúng giữ vai trò quan trọng phát triển, trì sống phục hồi tế bào mô Khi thiếu protein chế độ ăn ngày dẫn đến nhiều biểu xấu cho sức khỏe suy dinh dưỡng, sút cân mau, chậm lớn (đối với trẻ em), giảm khả miễn dịch, khả chống đỡ thể số bệnh Thiếu protein gây ảnh hưởng xấu đến hoạt động bình thường nhiều quan Thiếu protein làm thay đổi thành phần hóa học cấu tạo hình thái xương (lượng canxi giảm, lượng magie tăng cao) Do mức protein cao chất lượng tốt (protein chứa đủ acid amin không thay thế) cần thiết thức ăn 1.1.2.2 Cấu trúc protein 10 Tinh bột (starch) Thủy phân (Hydrolysis) amilase Glucose Lên men (Fermentatiaon) a)Ở điều kiện tải lượng chất b) Ở điều kiện tải lượng thấp,không có chất ức chế chất cao, hay có chất ức chế (pH > 10-4 atm) H2O, CO2, Acetate Sinh metan (pH < 10-4 atm) H2O, CO2, Formate, Acetate Glucose Propionate, Butyrate, Valeriate, Lactate,Ethanol Sinh acetate (Methanogenis) (Acetogenesis) H2O, CO2, Acetate CH4, CO2 Hình5.4 Phân giải kị khí tinh bột thành metan CO2 hai trường hợp a b 5.4.2 Phân giải kị khí protein Protein đại phân tử sinh học tạo đơn vị cấu tạo axit amin Chúng tồn trạng thái keo hòa tan hay trạng thái rắn không hòa tan long vũ, da, sừng, móng …Protein dạng hợp chất hữ phổ biến tự nhiên, nước thải hay chất thải rắn Ở tế bào,ở môi trường axit có mặt enzyme, protein hòa tan bị kết tủa, ví dụ trường hợp kết tủa protein sữa casein axit enzyme chymosin Hình 11.5 mô tả trình cần thiết cho phân hủy protein hệ sinh thái sinh metan Protein dạng hòa tan hay kết tủa thủy phân tác dụng số enzyme protease để tạo thành sản phẩm axit amin, số dipeptide hay oligopeptide mạch ngắn khác với enzyme thủy phân carbonhydrate hoạt động môi trường axit nhẹ, protease, trừ pepsin, phần lớn hoạt động môi trường trung 112 tính hay kiềm nhẹ Trái ngược với lên men carbonhydrate, trình làm giảm pH hình thành axit béo bay , lên men axit amin hệ thống xử lý nước hay chất thải rắn hữu không làm thay đổi đáng kể pH hình thành đồng thời axit ammonia (NH3) Quá trình axit hóa protein diễn tốt pH trung tính hay kiềm nhẹ Giá trị pH hệ thống ổn định nhờ ion NH4+, với hệ thống đệm CO2/bicarbonate/carbonate Quá trình tạo axit béo theo đường khử amin axit amin diễn điều kiện áp suất riêng phần H2 thấp lý đề cập phân hủy carbohydrate Điều kiện trì tương tác dinh dưỡng với vi khuẩn phân giải protein, vi khuẩn sinh acetate, sinh metan hay vi khuẩn khử sulfate Ngoại trừ mối tương tác tương hỗ lẫn vi khuẩn phân giải axit amin với sinh vật sinh metan để trì áp suất riêng phần H2 thấp, vi khuẩn Clostriadia số vi khuẩn bùn thải hợp diến hai trình khử amin oxy hóa Ví dụ trường hợp axit amin bị khử carbon – oxy hóa phương trình sau: CH3 – CHNH2 – COOH + 2H2O CH3- COOH +CO2 + NH3 + 2H2 Protein (từ động, thực vật vi sinh vật) Thủy phân (Hydrolysis) Oligopeptide Lên men (Fermentation) - protease từ động vật thực vật:axit protease(pH 1-5) Thioprotease (pH 4-8) -Protease từ vi khuẩn Metaloprotease (pH 7-8) Alkaline protease(pH 9-11) Axit amin NH3 H2O, CO2, Formate, Acetate Sinh metan (Methanogenis) Propionate, Butyrate, Lactate, Ethanol Sinh acetate (Acetogenesis) H2O, CO2, Acetate 113 CH4 , CO2 Hình 11.5 phân giải kị khí protein thành metan CO2 Đương lượng khử sinh từ phản ứng G0 = 7,5 kJ mol-1 Năng lượng dung cho phản ứng chuyển hóa axit amin khác ví dụ glycine thành acetate ammoniac 2CH2NH2 – COOH +2 H2 2CH3COOH + NH3 ( G0 = -38,9 kJ mol-1) Để phân giải hoàn toàn axit amin hệ thống kị khí, cần có tham gí vi khuẩn kị khí lên men axit, vi khuẩn sinh metan hay vi khuẩn khử sulfate Đối với axit amin có mạch carbon lớn, trình khử amin tạo axit béo trực tiếp propionate, i-butyrate, i-valerate trình khử amin Để phân giải axit béo cần có vi khuẩn sinh acetate Khác với trình phân giải carbonhydrate, tải lượng chất cản trở trình chuyển hóa propionate butyrate thành acetate, trình phân giải protein, axit béo sản phẩm phản ứng khử amin, hình thành chúng tránh khỏi trì áp suất H2 cục thấp pha sinh metan khác carbonhydrate hay protein, ngoại trừ vi sinh vật sinh metan từ protein phải có khả chịu nồng độ ammonia pH cao 5.4.3 Phân giải kị khí chất béo trung tính lipid Chất béo lipid nhóm polymer sinh học khác đóng góp đáng kể cho COD (nhu cầu ox y hóa học) bùn thải, phân bón gia súc, gia cầm người, hay nước thải từ công nghiệp thực phẩm, từ lò giết mổ gia súc, gia cầm…Do lipid hòa tan nước, để thủy phân lipid tăng diện tích tiếp xúc cho enzyme lipase hoạt động, lipid phải nhũ tương hóa tạo nên trạng thái hòa tan giả Glycerol axit béo bão hòa hay không bão hòa (axit palmitic,axit linolic, axit stearic,…) hình thành từ phân giải chất béo trung tính Sự phân giải phospholipide sinh axit béo, glycerol rượu bậc cao (serine, ethanolamine, choline, inositol), phosphate Sự phân giải sphingolipid sinh axit béo rượu 114 amin (sphingosine) Sự phân giải glycolipid sinh axit béo, rượu amin, hexose (glucose, galactose) Hình 11.6 biểu diễn trình phân giải kị khí lipid Đường glycerol bị phân hủy thành metan CO2 tương tác vi khuẩn lên men với vi khuẩn sinh metan hệ thống có tải lượng chất thấp hay tương tác vi khuẩn lên men, vi khuẩn sinh acetate với vi khuẩn lên men hệ thống có tải lượng chất cao Các axit béo mạch dài bị phân hủy vi khuẩn sinh acetate thông qua trình β- oxy hóa thành acetate phân tử hydrogen Nếu axit béo tích tụ , trình phân giải kị khí bị ức chế Các axit béo mạch lẻ phân giải thành acetate, propionate, hydrogen, axit béo mạch chẵn thành actate hydrogen Khi áp suất riêng phần H2 thấp bị vi khuẩn sinh metan sử dụng H2 vi khuẩn khử sulfate trình β- oxy hóa n-butyrate hay propionate sinh nhiệt Methanol, etanol, ammoniac hình thành từ choline Sau thủy phân, lên men, sinh acetate thành phần chất béo pha sinh metan, acetate, CO2 hydro biến đổi thành metan Tất phản ứng nội bào xảy sau bị ảnh hưởng tương tác trình vận chuyển đổi hydro nội bào, ngoại trừ phản ứng nội bào lipase ban đầu Các carbonhydrate, protein, chất béo hay dầu sinh học bị phân giải kị khí phương pháp ủ nóng Toàn trình diễn tương tự sơ đồ hình 11.6, khác quần thể sinh vật Sự phân giải chất béo nóng thực tế ngày trở lên thông dụng quan tâm nhiều hơn, chất béo nóng thải từ trình sản xuất tách thiết bị làm dầu tuyển kết hợp với công đoạn tạo metan bể biogas Vì lý vệ sinh mà vật liệu đầu vào phải khử trùng nhiệt nồi hấp, trình xử lý chất béo nóng ứng dụng nhằm sử dụng nhiệt thải, giữ chất béo dạng nóng chảy, hòa tan để chuyển hóa có hiệu Vì thiết kế công nghệ, cần kết hợp công đoạn sản xuất, xử lý sinh biogas nhằm tận dụng ưu nhiệt để tăng cường hiệu xử lý Triglicerid ,phospholipid, glycolipid Thủy phân lipase, phospholipase (Hydrolysis) 115 Glycerol, glucose Galactose, inositol Phosphate Choline Axit béo (C14-20) Lên men (Fermentation) NH3 sinh acetate β-oxy hóa pH2 < 10-4 atm H2O, CO2, Acetate pH2 > 10-4 atm H2O, CO2, Acetate axit béo sinh acetate Ethanol, Methnol (Acetogenesis) H2O, CO2, Acetate Sinh metan (Methanogenis) H2O, CO2, Acetate Hình 11.6: Sự phân giải kị khí lipid 5.5 QUÁ TRÌNH LỌAI BỎ NITO SINH HỌC TRONG CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI Các hợp chất chứa nitơ có chất hữu vô cơ, có thành phần nhiều ngành sản xuất sinh hoạt Cùng với hợp chất rắn có chứa phospho, chúng yếu tố chủ yếu gây phú dưỡng hóa nguồn nước mặt Vì loại bỏ nito nước thải trước tải vào nguồn tiếp nhận mục tiêu quan trọng xử lý nước thải Khác với phosphor có khả hình thành hợp chất kết tủa với kim loại khác dễ dàng tách phương pháp lắng hay tuyển nổi, tất hợp chất chứa nitơ, (ngoại trừ magnesium ammonium phosphate) dễ dàng hòa tan nước tách phương pháp kết tủa hóa học giống phosphor Để tách nitơ amin hay nitơ hợp chất dị vòng, bước phải chuyển hóa 116 chúng thành ammonia (NH3) trình hiếu khí kị khí Sau trình nitrate hóa NH3 cuối khử nitrate để tạo N2 tự Như vậy, tùy thuộc vào loại hợp chất chứa nitơ có mặt nước thải mà trình khử nitơ phải trải qua pha nối nhau: ammoni hóa, nitrate hóa, khử nitrate Trong thành phần nước thải sinh hoạt, nito tồn chủ yếu dạng khử ammonia, ure, amin, axit amin hay protein, dạng oxy hóa nitrate nitrite thường tỷ lệ thấp ngược lại, nước thải số ngành công nghiệp thực phẩm, chứa nitơ dạng oxy hóa chiếm ưu 5.5.1 Sự ammoni hóa (ammonification) Trong nước thải sinh hoạt, nitơ tồn chủ yếu hợp chất ví dụ axit nucleic, protein… Ammonia (NH3) hình thành từ trình thủy phân protein phân giải axit amin số phương thức khác thủy phân, oxy hóa, khử, khử amin oxy hóa R- NH2 + H2O R- OH + NH3 R- CHNH2COOH + H2O R- CO- COOH + 2(H) + NH3 R- CHNH2COOH + 2(H) R- CH2 – COOH + NH3 R- CH2 – CHNH2 – COOH R – CH = CH – COOH + NH3 Một lượng đáng kể ammonia sinh từ trình sử dụng vào mục đích tăng trưởng số lượng vi khuẩn bùn Ở vi khuẩn, protein chiếm tỉ lệ khoảng 50% protein chiếm khoảng 16%, vậy, để tổng hợp 1g sinh khối vi khuẩn cần khoảng 0,08g N ammonia Từ xác định lượng NH3 nitrate hóa khử nitrate để tạo nitơ phân tử 5.5.2 Qúa trình nitrate hóa ammoniac (nitrification of ammonia) Nitrate hóa trình oxy hóa vi sinh vật NH4+ - N thành NO3- -N Do nhu cầu tiêu thụ oxy cao, 4,57g O2/ g NH4+ - N , tách nitrate khỏi 117 nước thải trước chúng xả vào nguồn tiếp nhận mục tiêu quan trọng xử lý nước Quá trình nitrate hóa ammonia thực vi sinh vật hiếu khí tự dưỡng hay dị dưỡng Nitrate hóa tự dưỡng (autotrophic nitrification) Các vi sinh vật nitrate hóa tự dưỡng vi sinh vật hiếu khí có khả oxy hóa ammonia thành nitrite sau nitrate Nhóm vi khuẩn nitrite bao gồm : Nitrosomanas, Nitrosococus, Nitrosolobus, Nitrosospira, hay Nitrosovibro Nhóm vi khuẩn nitrate bao gồm : Nitrobacter, Nitrococus, Nitrospira - Phản ứng nitrite hóa ammonia : NH4+ + 1,5O2 NO2- + 2H+ + H2O - Phản ứng nitrate hóa nitrite: NO2- + 2O2 - Tổng hợp hai phương trình ta có phương trình nitrate hóa ammonia: NH4+ + 1,5O2 NO3- NO3- + 2H+ + H2O Từ phương trình ta tính lượng oxy cần thiết cho trình nitrate hóa khoảng 4,33kg O2/kg NH3- N bị oxy hóa Các phản ứng oxy hóa ammonia thành nitrite hay oxy hóa nitrite thành nitrate trình sinh lượng Năng lượng giải phóng từ trình nitrate hóa vi khuẩn sử dụng cho trình tăng trưởng chúng (quá trình tự dưỡng) Nguồn cung cấp carbon vi khuẩn tự dưỡng chủ yếu lấy từ CO2 không khí CO2 bị đồng hóa thông qua chu trình Calvin Do oxy hóa khử dương hợp chất nitơ bị oxy hóa không đủ thấp để tạo đương lượng khử NADPH để khử CO2 , chúng phải hình thành thông qua trình vận chuyển điện tử ngược tiêu thụ lượng Do vậy, gia tăng số lượng vi khuẩn nitrate thấp ví dụ, để tạo 1g vật chất khô cuả tế bào Nitrosomonas sp phải oxy hóa 30g NH3 118 Sự oxy hóa ammonia vi khuẩn nitrate hóa bắt đầu phản ứng tạo hydroxylamine qua phản ứng trung hòa lượng , xúc tác enzyme monoxygenase NH3 + XH2 +O2 NH2OH + X + H2O Sau hydroxylamine oxy hóa tiếp tục tạo nitroxyl sau thành nitrite NH2OH + X XH2 + (NOH) (NOH) + 0,5 O2 HNO2 + lượng Đây phản ứng sinh lượng trình sinh nitrite Để oxy hóa 1mg NH3 – N thành nitrite cần khoảng 3.42mg O2, để oxy hóa 1mg NO2- N thành nitrate cần 1,14 mg O2 Do tăng trưởng chậm mà vi sinh vật nitrate hóa tự dưỡng cạnh tranh lấy O2 cách hiệu với sinh vật tự dưỡng hệ thống bùn hoạt tính với tải lượng cao, vi sinh vật nitrate hóa tự dưỡng tăng trưởng nhanh nhờ quần thể thực vật dị dưỡng bùn tiêu thụ oxy Sự oxy hóa ammonia bắt đầu nồng độ BOD5 nước thải 110 mg/L trình nitrate hóa ammonia, tính kiềm nước thải tăng nhẹ, tiêu thụ CO2 trình tăng trưởng tự dưỡng (pH tăng) Tuy nhiên, phản ứng ngược pH giảm từ kiềm thành giá trị axit hình thành axit nitric từ ammonia Nếu khả đệm nước thải yếu, pH giảm ngăn cản nitrate hóa vi khuẩn nitrate tự dưỡng Nitrate hóa dị dưỡng (heterotrophic nitrification) Quá trình nitrate hóa hợp chất hữu chứa nitơ thực số vi khuẩn dị dưỡng Arthrobacter, Flavobacterium, hay Thiosphaera Phương trình phản ứng nitrate hóa dị dưỡng sau : R- NH2 R- NHOH R-NO NO3- Khác với vi khuẩn nitrate hóa tự dưỡng oxy hóa trực tiếp NH3 , vi sinh vật nitrate hóa dị dưỡng oxy hóa hợp chất nitơ dạng khử hydroxylamine, aliphatic hợp chất chứa nhân thơm Một điểm khác trình nitrate hóa dị 119 dưỡng không sinh lượng vậy, để cung cấp lượng cho trình trao đổi chất, vi sinh vật phải phân giải chất hữ để khai thác lượng 5.5.3 Qúa trình khử nitrate (denitrification) loại bỏ nitrate khỏi nước thải Khử nitrate trình khử nitrate (NO3-) hay nitrite (NO2-) thành khí N2 Hay nói cách khác NO3- hay NO2- đóng vai trò chất nhận điện tử trình hô hấp mô bào khai thác lượng trình khử nitrate thực vi khuẩn tự dưỡng dị dưỡng Nhiều vi khuẩn hiếu khí có khả chuyển từ từ, trình trao đổi chất theo kiểu oxy hóa (có tham gia oxy) sang dạng hô hấp nitrate Tương tự trình hô hấp có oxy, vi khuẩn dị dưỡng sư dụng hợp chất hữu ví dụ methanol (CH3OH), acetate ( CH3COOH), H2, S,… làm nguồn chất cho điện tử (bị oxy hóa) để khử nitrate, ví dụ hai trường hợp sau: CO2 + 6H+ + 6e- CH3OH + H2O CO2 + 8H+ + 8e- CH3COOH + H2O Quá trình khử nitrate xúc tác enzyme oxydorereductase liên kết màng vi sinh vật Quá trình bắt đầu với phản ứng khử nitrate thành nitrite xúc tác enzyme nitrate reductase (a) Tiếp theo nhờ enzyme thứ hai nitrite reductase (b) xúc tác chuyển nitrite thành NO Enzyme nitrite oxide reductase (c) chuyển NO thành N2O Và cuối N2O bị khử thành N2 nhờ enzyme nitrous oxide reductase (d) Qúa trình mô tả giai đoạn phản ứng sau: NO3- + 2e + 2H+ NO2- + H2O , Enzyme : nitrate reductase (a) NO2- + 2e + 2H+ NO + H2O, Enzyme : nitrite reductase (b) NO + 2e + 2H+ N2O + H2O, Enzyme : nitrite oxide reductase (c) N2O+ 2e + 2H+ N2 + H O , Enzyme: nitrous oxide reductase (d) Phương trình phản ứng tổng quát có tham gia methanol hay acetate nguồn cho điện tử cung cấp carbon lượng trình khử nitrate sau: 5CH3OH + HNO3 5CH3- COOH + HNO3 5CO + 3N2 + 13 H2O 10 CO2 + 4N2 + 14 H2O Trong thực tế trình khử nitrate cần phải cung cấp đủ nguồn carbon, nước thải thiếu oxy tự (DO), phần carbon bị oxy hóa 120 điều kiện anoxic đạt Để khử 1g NO3- - N thành N2 , cần đảm bảo hàm lượng COD nước thải phải lớn 2,85g COD Nhiều vi khuẩn khử nitrate thay sử dụng nitrate NO2, NO, hay N2O chất nhận điện tử cuối Khi gặp điều kiện không thuận lợi chúng giải phóng sản phẩm trung gian vào môi trường ví dụ đất nước Ví dụ, có nhiều nitrate thiếu nguồn cung cấp điện tử, NO N2O tự hình thành Điều kiện khác dối với hình thành N2O pH 7,3 pH 7,3 enzyme oxydoreductase bị ức chế hoạt động Ngoài khử nitrate dị hóa, nhiều vi khuẩn hiếu khí yếm khí có khả khử nitrate theo kiểu đồng hóa tạo NH3 để cung cấp ammoniac cho mục đích tăng trưởng tế bào Tuy nhiên, enzyme khử nitrate đồng hóa có tác dụng nồng độ ammonia mức 1mM Các giai đoạn cuả khử nitrate đồng hóa tóm tắt phương trình sau: NO3- 2e(a) NO2- 2e- HNO 2e- (b) (b) HNO3 + 8(H) NH2OH 2e- NH3 (b) NH4+ OH- + H2O Trong trường hợp này, enzyme khử nitrate (nitrate reductase ) (a) thành nitrite, nitrite sau bị khử thành ammoniac enzyme khử nitrite phức tạp, nitrite reductase (b) Khác với kiểu khử nitrate dị hóa enzyme nitrate reductase nhạy cảm, dễ bị ức chế có mặt oxy phản ứng bảo toàn lượng, enzyme nitrate reductase phản ứng khử nitrate đồng hóa không bị ức chế oxy trình không bảo toàn lượng 5.6 LOẠI BỎ PHOSPHATE SINH HỌC Phosphate chat dinh dưỡng đa lượng cần thiết cho tăng trưởng sinh vật, đặc biết tảo quang hợp vi khuẩn cyanobacteria Sự có mặt phosphate nồng độ cao gây phú dưỡng hóa nguồn nước mặt dẫn tới phát sinh ô nhiễm thứ cấp việc tách phosphate khỏi dòng nước thải trước thải vào môi trường mục tiêu quan trọng xử lý nước thải công nghệ xử lý nước , loại bỏ phosphate phương pháp hóa học (kết tủa với Ca+ , Al+, Fe3+), phương pháp sinh học hay kết hợp, phương pháp sinh học quan 121 tâm nhiều tính ưu việt hiệu xử lý, mức độ an toàn khía cạnh kinh tế loại bỏ phosphate sinh học khỏi nước phương pháp sau: - Chuyển hóa phosphate vào sinh khối vi sinh vật mức độ bình thường - Kết tủa phosphate muối kim loại kết hợp trình vi sinh vật - Loại bỏ phosphate sinh học tăng cường (enhanced biological phosphorus removal), giải pháp chuyển hóa phosphate vào sinh khối vi sinh vật mức độ cao, ưu tiên cho xử lý nước thải có tải lượng phosphate cao Trong thực tế, vi sinh vật có khả hấp thụ nhiều phosphate so với yêu cầu tăng trưởng tế bào, nhu cầu tích lũy lượng lien kết phosphate cao Các polyphosphate nội bào(intracellular polyphosphate) dạng dự trữ lượng tế bào Trong tế bào vi sinh vật, polyphosphate cất giữ dạng hạt nhỏ Mỗi tế bào chứa từ vài đến vài nghìn chục đơn vị phosphate chúng chiếm tới 12% khối lượng tế bào vi khuẩn tích tụ polyphosphate , vi khuẩn không tích tụ polyphosphate chứa khoảng 13 % phosphate Để tế bào hấp thu phosphate đạt mức độ tích tụ polyphosphate , vi khuẩn nước thải phải lien tiếp trải qua hai giai đoạn hiếu khí kị khí Do yêu cầu mà mục tiêu loại bỏ phosphate sinh học tạo điều kiện cho vi khuẩn phát triển theo hướng tích tụ polyphosphate nội bào Ở vi khuẩn Acinetobacter sp , trình tích tụ sinh học polyphosphate liên quan chặt chẽ với trình trao đổi poly – β- hydroxybutyrate (PHB) glycogen Ở điều kiện kị khí, mặt nitrate, acetate chuyển hóa thành βhydroxybutyrate, sau β- hydroxybutyrate polymer hóa thành PHB, chứa hạt nội bào Năng lượng (NADPH) cung cấp cho trình chuyển hóa acetate thành β- hydroxybutyrate lấy từ trình oxy hóa glucose từ nguồn glycogen dự trữ vi sinh vật lượng cho trình polymer hóa βhydroxybutyrate thành PHB lấy từ ATP Trong điều kiện kị khí, để cung cấp lượng cho hai trình trao đổi chất trì trao đổi chất dự trữ, polyphosphate thủy phân giải phóng phosphate vô Để dự trữ g axir béo, khoảng 0,6 mg orthophosphate giải phóng 122 Ở điều kiện hiếu khí, xảy hai trường hợp Nếu nước thải không đáp ứng nguồn carbon (cơ chất) cho trình hô hấp , vi khuẩn thủy phân PHB từ hạt dự trữ để giải phóng β- hydroxybutyrate cho mục đích cung cấp lượng cho trì , cho tăng trưởng tế bào, để tạo glycogen polymer hóa phosphate có nguồn gốc từ nước thải có mặt oxy , vi khuẩn lấy phosphate từ hệ thực vật (flora) bùn hoạt tính giải phóng từ trình kị khí Để loại bỏ sinh học mg phosphorus , vi sinh vật cần sử dụng từ 6-9 mg axit béo bay Khi dòng nước thải đáp ứng đủ nguồn carbon (cơ chất), vi khuẩn sử dụng phần chất oxy hóa theo chu trình Krebs phần dùng cho trình tạo PHB Do trình tạo PHB cần nhiều đương lượng khử (NADPH) , lượng ATP hình thành từ chất thông qua trình phosphoryl oxy hóa hạn chế Sự thiếu hụt ATP bù đắp lượng thủy phân polyphosphate thành Pi vô chúng sử dụng để tổng hợp ADP từ AMP sau từ ADP tới ATP Chỉ nhỏ Pi vô giải phóng vào môi trường Ngoài vi khuẩn hiếu khí bắt buộc Acinetobacter , vi khuẩn khử nitrate có khả loại bỏ phosphate khỏi môi trường lỏng Sự có mặt đồng thời vi khuẩn hiếu khí bắt buộc vi khuẩn khử nitrate bùn hoạt tính giải thích có mặt nitrate pha giải phóng phosphate kị khí tích tụ Pi môi trường Vi khuẩn khử nitrate không ngăn cản trình giải phóng Pi Acinetobacter , chúng lại hấp thụ tích tụ phosphate dạng polyphosphate Điều giải thích không tìm thấy Pi từ phân giải polyphosphate dự trữ đơn vị khử phosphate sinh học hệ thống xử lý nước thải Để tăng cường tích tụ phosphate sinh học, yếu tố quan trọng khả dự trữ nguyên liệu tế bào Các vi khuẩn có khả polymer hóa chất dự trữ phosphate nội bào điều kiện nồng độ chất thấp có khả tồn tốt so với vi khuẩn dị dưỡng mà khả Tiêu chuẩn nồng độ phosphate nước thải sau xử lý < 0,1 mg phosphate/L, tỉ lệ COD : P nước thải tốt cho trình loại bỏ sinh học phosphate khoảng 20g COD:1g phosphate Đây tỷ lệ chất đảm bảo cho vi khuẩn tích tụ polyphosphate phát triển tốt kết hợp trình khử phosphate 123 sinh học với trình lắng hóa học, tỉ lệ COD:P tối thiểu cần đạt 2:1 cho hai hệ thống hay không lắng bùn sơ cấp Nếu phần lớn COD bị bước lắng bùn sơ cấp cần bổ sung thêm Fe2+ để thúc đẩy trình khử sinh học phosphate trình kết tủa hóa học 124 • 125 126 ... ngành môi trường, việc nắm vững chế hóa sinh diễn hệ thống tự nhiên môi trường nhân tạo giúp hiểu rõ chất trình sinh học, làm tảng để tiếp cận với nội dung chuyên sâu môn học khác ngành môi trường, ... protein Nếu pH môi trường = pI protein tồn dạng ion lưỡng cực nhiều protein không di chuyển điện trường Nếu pH môi trường > pI anion chiếm nhiều protein di chuyển phía cực dương điện trường Nếu pH... vệ môi sinh, bảo vệ người, mô hình hóa trình sống, thực trình sống quy mô công nghiệp, tạo ngày nhiều chế phẩm sinh học, sản phẩm có giá trị để sử dụng công nghiệp, nông nghiệp Như vậy, ngành môi