Bài giảng vi sinh môi trường

TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH KHOA NƠNG – LÂM – NGƢ BÀI GIẢNG (Lƣu hành nội bộ) “VI SINH MÔI TRƢỜNG” (Dành cho Đại học Quản lý tài nguyên mơi trƣờng) Tác giả: ThS Nguyễn Thị Hƣơng Bình Năm 2016 LỜI NĨI ĐẦU Bài giảng Vi sinh mơi trường đƣợc biên soạn cho lớp Đại học Quản lý tài nguyên môi trƣờng làm tài liệu học tập Bài giảng cung cấp kiến thức cho sinh viên loài vi sinh vật Đây môn học sở cho sinh viên áp dụng vào ngành học Bài giảng đƣợc biên soạn dựa sở tham khảo số tài liệu giáo trình có liên quan nhiều tác giả Mặc dù có nhiều cố gắng, song khơng thể tránh khỏi sai sót Rất mong đóng góp ý kiến thầy giáo bạn để giúp tơi hồn thiện giảng đƣợc tốt Chân thành cảm ơn! Tác giả MỤC LỤC CHƢƠNG 1: HÌNH THÁI, CẤU TẠO VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA VI SINH VẬT 1.1 Đặc điểm chung vi sinh vật 1.2 Các nhóm vi sinh vật CHƢƠNG 2: SINH LÝ ĐẠI CƢƠNG VI SINH VẬT 14 2.1 Dinh dƣỡng vi sinh vật 14 2.2 Trao đổi chất trao đổi lƣợng vi sinh vật 19 2.3 Ảnh hƣởng yếu tố bên đến hoạt động vi sinh vật 20 CHƢƠNG SỰ PHÂN BỐ CỦA VI SINH VẬT TRONG MƠI TRƢỜNG 23 3.1 Mơi trƣờng đất phân bố vi sinh vật đất 23 3.2 Môi trƣờng nƣớc phân bố vi sinh vật nƣớc 24 3.3 Mơi trƣờng khơng khí phân bố vi sinh vật khơng khí 27 CHƢƠNG KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT TRONG MÔI TRƢỜNG TỰ NHIÊN CỦA VI SINH VẬT 28 4.1 Khả chuyển hóa hợp chất cacbon môi trƣờng tự nhiên 28 4.2 Khả chuyển hóa hợp chất nito mơi trƣờng tự nhiên 30 4.3 Khả chuyển hóa hợp chất phot môi trƣờng tự nhiên 34 4.4 Khả chuyển hóa hợp chất lƣu huỳnh môi trƣờng tự nhiên 35 CHƢƠNG 5: Ô NHIỄM VI SINH VẬT 36 5.1 Nguyên nhân vấn đề ô nhiễm vi sinh 36 5.2 Một số vi sinh vật gây bệnh 36 5.3 Vi sinh vật thị ô nhiễm 42 CHƢƠNG CƠ SỞ CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ Ơ NHIỄM MƠI TRƢỜNG 43 6.1 Tình hình nhiễm mơi trƣờng 43 6.2 Nguyên lý trình 44 6.3 Một số loại vi sinh vật sử dụng xử lý ô nhiễm môi trƣờng 44 CHƢƠNG TÁC NHÂN VI SINH VẬT TRONG Q TRÌNH XỬ LÝ Ơ NHIỄM MÔI TRƢỜNG NƢỚC 45 7.1 Vi sinh vật gây bệnh tiêu vi sinh nƣớc cấp sinh hoạt 45 7.2 Quá trình tự làm nƣớc 45 7.3 Vi sinh vật với q trình xử lý nhiễm mơi trƣờng nƣớc 45 CHƢƠNG 8: TÁC NHÂN VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI 48 8.1 Khái niệm chất thải 48 8.2 Phân loại chất thải 48 8.3 Xử lý chất thải 49 CHƢƠNG 9: TÁC NHÂN VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ KHÍ THẢI 51 9.1 Nguyên lý trình xử lý sinh học khí thải 51 9.2 Các hệ thống làm khơng khí phƣơng pháp sinh học 52 CHƢƠNG 1: HÌNH THÁI, CẤU TẠO VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA VI SINH VẬT 1.1 Đặc điểm chung vi sinh vật Vi sinh vật giới sinh vật vô nhỏ bé mà ta quan sát thấy mắt thƣờng Nó phân bố khắp nơi, đất, nƣớc, khơng khí, thực phẩm Nó có mặt dƣới độ sâu tăm tối đại dƣơng Bào tử tung bay tầng cao bầu khí quyển, chu du theo đám mây Nó sống đƣợc kính, da, giấy, thiết bị kim loại Vi sinh vật đóng vai trò vơ quan trọng thiên nhiên nhƣ sống ngƣời Nó biến đá mẹ thành đất trồng, làm giàu chất hữu đất, tham gia vào tất vòng tuần hồn vật chất tự nhiên Nó khâu quan trọng chuỗi thức ăn hệ sinh thái Nó đóng vai trò định q trình tự làm môi trƣờng tự nhiên Từ xa xƣa, ngƣời đă biết sử dụng vi sinh vật đời sống hàng ngày Các trình làm rƣợu, làm dấm, làm tƣơng, muối chua thực phẩm ứng dụng đặc tính sinh học nhóm vi sinh vật Khi khoa học phát triển, biết rõ vai trò vi sinh vật, việc ứng dụng sản xuất đời sống ngày rộng răi có hiệu lớn Ví dụ nhƣ việc chế vacxin phòng bệnh, sản xuất chất kháng sinh dƣợc phẩm quan trọng khác Đặc biệt bảo vệ môi trƣờng, ngƣời ta đă sử dụng vi sinh vật làm môi trƣờng, xử lý chất thải độc hại Sử dụng vi sinh vật việc chế tạo phân bón sinh học, thuốc bảo vệ thực vật khơng gây độc hại cho môi trƣờng, bảo vệ mối cân sinh thái Trong thiên nhiên ngồi nhóm vi sinh vật có ích nhƣ trên, có nhóm vi sinh vật gây hại Ví dụ nhƣ nhóm vi sinh vật gây bệnh cho ngƣời, động vật thực vật, nhóm vi sinh vật gây nhiễm thực phẩm, nhiễm nguồn nƣớc, đất khơng khí Nếu nắm vững sở sinh học tất q trình có lợi hay có hại trên, ta đƣa đƣợc biện pháp khoa học để phát huy mặt có lợi hạn chế mặt gây hại vi sinh vật, đặc biệt bảo vệ môi trƣờng Vi sinh vật (microorganisms) tên gọi chung để tất sinh vật có hình thể bé nhỏ, muốn thấy rơ đƣợc ngƣời ta phải sử dụng tới kính hiển vi Virut (Virus) nhóm vi sinh vật đặc biệt, chúng nhỏ bé tới mức quan sát đƣợc qua kính hiển vi điện tử (eletron microscope) Virut chƣa có cấu trúc tế bào Các vi sinh vật khác thƣờng đơn bào đa bào nhƣng có cấu trúc đơn giản chƣa phân hoá thành quan sinh dƣỡng (vegetative organs) Vi sinh vật nhóm riêng biệt sinh giới Chúng chí thuộc nhiều giới (kingdom) sinh vật khác Giữa nhóm khơng có quan hệ mật thiết với Chúng có chung đặc điểm sau đây: VSV có kích thƣớc nhỏ bé Mắt ngƣời khó thấy đƣợc rõ vật nhỏ 1mm Vậy mà VSV thƣờng đƣợc đo m, virut đƣợc đo nm (1m = 10-3mm, 1nm = 10-6 mm, 1A0 = 10-7mm) VSV có kích thƣớc nhỏ bé nên diện tích tiếp xúc bề mặt tập đồn VSV lớn Chẳng hạn đƣờng kính cầu khuẩn (Coccus) có 1mm, nhƣng xếp đầy chúng thành khối tích 1cm3 chúng có diện tích bề mặt rộng tới 6m2 Khả trao đổi chất mạnh Tuy VSV có kích thƣớc nhỏ bé nhƣng chúng lại có lực hấp thu chuyển hóa vƣợt xa sinh vật khác Chẳng hạn vi khuẩn lactic (Lactobacillus) phân giải đƣợc lƣợng đƣờng lactose lớn 1.000 - 10.000 lần so với khối lƣợng chúng Tốc độ tổng hợp protein nấm men cao gấp 1.000 lần so với đậu tƣơng 100.000 lần so với trâu bò Sinh trƣởng nhanh, phát triển mạnh Có thể nói khơng có sinh vật có tốc độ sinh sơi nảy nở nhanh nhƣ VSV Chẳng hạn, vi khuẩn E.coli điều kiện thích hợp sau 12 - 20 phút lại phân cắt lần Nếu lấy thời gian hệ 20 phút phân cắt lần, sau 24 phân cắt 72 lần tạo 4.722 366.107 tế bào, tƣơng đƣơng với khối lƣợng 4.722 (tất nhiên tự nhiên khơng có điều kiện tối ƣu nhƣ thiếu thức ăn, thiếu oxi, dƣ thừa sản phẩm trao đổi chất có hại ) Có lực thích ứng mạnh dễ dàng phát sinh biến dị Trong q trình tiến hóa lâu dài, VSV tạo cho chế điều hòa trao đổi chất để thích ứng đƣợc với điều kiện sống khác nhau, kể điều kiện bất lợi mà sinh vật khác thƣờng khơng thể tồn đƣợc VSV chống chịu đƣợc với số hóa chất độc, nhiệt độ khắc nghiệt, pH thay đổi VSV dễ dàng phát sinh biến dị đa số đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lƣợng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trƣờng sống Tần số biến dị thƣờng mức 10-5 - 10-10 Hình thức biến dị thƣờng đột biến gen Ngoài biến dị có lợi, VSV thƣờng phát sinh biến dị có hại nhƣ biến dị tính kháng thuốc Phân bố rộng, chủng loại nhiều VSV có mặt khắp nơi trái đất, khơng khí, đất, núi cao, dƣới biển sâu, thể ngƣời, động thực vật, thực phẩm, đồ dùng Ví dụ độ sâu 10.000m vùng đơng Thái Bình Dƣơng có áp suất cao phát thấy có khoảng triệu - 10 tỉ vi khuẩn/ml (chủ yếu vi khuẩn lƣu huỳnh), độ cao 84km khơng khí phát thấy VSV Khi khoan lớp đá trầm tích sâu 427m thấy có vi khuẩn sống Về chủng loại: Trong sinh giới, động vật có khoảng 1,5 triệu lồi, thực vật có 0,5 triệu lồi VSV có 100.000 lồi, bao gồm 30.000 loài động vật nguyên sinh, 69.000 loài nấm, 1,5 nghìn lồi vi khuẩn, 1,2 nghìn lồi virut 1.2 Các nhóm vi sinh vật Vi sinh vật vô phong phú thành phần số lƣợng Chúng bao gồm nhóm khác có đặc tính khác hình dạng, kích thƣớc, cấu tạo đặc biệt khác đặc tính sinh lý, sinh hoá Dựa vào đặc điểm cấu tạo tế bào, ngƣời ta chia làm nhóm lớn: -Nhóm chƣa có cấu tạo tế bào bao gồm loại virus -Nhóm có cấu tạo tế bào nhƣng chƣa có cấu trúc nhân rõ ràng (cấu trúc nhân nguyên thuỷ) gọi nhóm Procaryotes, bao gồm vi khuẩn, xạ khuẩn tảo lam -Nhóm có cấu tạo tế bào, có cấu trúc nhân phức tạp gọi Eukaryotes bao gồm nấm men, nấm sợi (gọi chung vi nấm) số động vật nguyên sinh tảo đơn bào 1.2.1 Virus Virus nhóm vi sinh vật chƣa có cấu tạo tế bào, có kích thƣớc vơ nhỏ bé, chui qua màng lọc vi khuẩn Virus khơng có khả sống độc lập mà phải sống kƣ sinh tế bào khác từ vi khuẩn tế bào động vật, thực vật ngƣời, gây loại bệnh hiểm nghèo cho đối tƣợng mà chúng ký sinh Ví dụ nhƣ bệnh AIDS Virus nhóm vi sinh vật đƣợc phát sau nhóm vi sinh vật kích thƣớc nhỏ bé cách sống ký sinh chúng Ngƣời phát virus lần nhà bác học ngƣời Nga - Ivanơpski Ơng chun gia nghiên cứu bệnh khảm thuốc Khi nghiên cứu bệnh ông phát a rằng: Dịch lọc bị bệnh cho qua màng lọc vi khuẩn có khả gây bệnh Từ ơng rút kết luận: Ngun nhân gây bệnh đốm thuốc phải loại sinh vật nhỏ vi khuẩn Phát đƣợc công bố năm 1892, năm sau, năm 1898, nhà khoa học ngƣời Hà Lan Beijerinck nghiên cứu bệnh khảm thuốc có kết tƣơng tự, ơng đặt tên mầm gây bệnh khảm thuốc virus Tiếp ngƣời ta phát số virus khác gây bệnh cho động vật ngƣời Đến năm 1915 đă phát virus kƣ sinh vi khuẩn, gọi thực khuẩn thể (Bacteriophage) Hình thái kích thƣớc Virus có kích thƣớc nhỏ bé, lọt qua màng lọc vi khuẩn, quan sát chúng qua kính hiển vi điện tử Kích thƣớc từ 20 x 30 đến 150 x 300 nanomet (1 nm = 10-6 mm) Virut chƣa có cấu tạo tế bào, virut gọi tế bào mà đƣợc gọi hạt virut hay virion Virut có nhiều hình dạng khác nhau: - Hình cầu: thƣờng gặp dạng này, gồm phần lớn virut cúm, virut quai bị, virut ung thƣ ngƣời gia súc, kích thƣớc từ 100 - 150nm - Hình que: gồm virut gây bệnh cho thực vật nhƣ virut đốm khoai tây, virut đốm thuốc lá, kích thƣớc 15 x 250 nm - Hình khối: gồm virut nhiều gốc cạnh, có cấu trúc phức tạp nhƣ virut đậu mùa, adenovirut, virut khối u ngƣời động vật, virut đƣờng hơ hấp, kích thƣớc 300 - 350 nm - Dạng tinh trùng (dạng nòng nọc): đặc trƣng cho virut ký sinh tế bào vi khuẩn, gọi thực khuẩn thể (Bacteriophage hay phage), kích thƣớc từ 47 - 104 x 10 - 225nm Cấu trúc virut Virut có cấu trúc đơn giản gồm phần vỏ protein axit nucleic - Phần vỏ: gồm phần tử protein có phân tử lƣợng 18.000 - 38.000 tập hợp lại thành đơn vị hình thái gọi capsome (capsomer), nhiều đơn vị hình thái lại liên kết với để tạo thành lớp vỏ capxit (capside) Các capxit đƣợc xếp theo kiểu cấu trúc: + Cấu trúc xoắn: có virut đốm thuốc lá, virut gây bệnh cúm, sởi, toi gà, quai bị, virut dại Trong cấu trúc này, axit nucleic virut xoắn thành hình lò xo, capxome xếp bên ngồi theo sát vòng tạo thành ống xoắn + Cấu trúc khối: có virut đƣờng hơ hấp, virut đƣờng ruột, khối u, virut côn trùng, mọt tipula Nhân virut axit nucleic nằm cuộn tròn giữa, cacsome xếp chặt chẽ tạo thành mặt đa diện bao xung quanh Các cacsome đối xứng qua mặt cắt khối đa diện theo quy luật định (bất capsome có capsome bên cạnh giống xếp theo kiểu đối xứng) + Cấu trúc phức tạp: gồm virut đậu mùa, thực khuẩn thể thực khuẩn thể T2 (vi khuẩn ký sinh tế bào E.coli) có phần đầu hình lăng kính sáu cạnh, có đƣờng kính 65 nm, có phân tử ADN xoắn kép bên Đuôi ống dẫn dài 100 nm, rộng 25 nm, cấu tạo từ protein, bên lớp vỏ gọi bao đuôi, bên trụ đuôi trụ đuôi ống dẫn Phần cuối đĩa gốc có gai lơng - Phần nhân: có axit nucleic (hoặc ADN ARN), vật liệu mang thông tin di truyền virut 1.2.2 Vi khuẩn (Bacteria) Vi khuẩn nhóm vi sinh vật có cấu tạo tế bào nhƣng chƣa có cấu trúc nhân phức tạp, thuộc nhóm Prokaryotes Nhân tế bào gồm chuỗi ADN khơng có thành phần protein, khơng có màng nhân 1.2.2.1 Hình thái kích thƣớc Vi khuẩn có nhiều hình thái khác nhau: hình cầu, hình que, hình xoắn, hình dấu phẩy, hình sợi Kích thƣớc thay đổi tuỳ theo loại hình loại hình kích thƣớc khác So với virus, kích thƣớc vi khuẩn lớn nhiều, quan sát vi khuẩn dƣới kính hiển vi quang học Dựa vào loại hình chia số nhóm sau: Các hình dạng vi khuẩn: - Cầu khuẩn: 1, 2, 3, 4, - Trực khuẩn: 6, 7, 8, - Xoắn khuẩn: 10, 11, 12 a Cầu khuẩn (Coccus) Là vi khuẩn hình cầu, nhiên có nhiều loại có hình tròn, hình bầu dục nhƣ lậu cầu khuẩn (Neisseria gonorrhoeae), hình nến nhƣ phế cầu khuẩn (Streptococus peneumoniae) Kích thƣớc cầu khuẩn 0,5 - 1,0 m Đặc tính chung cầu khuẩn: - Tế bào hình cầu đứng riêng rẽ hay liên kết với - Có nhiều lồi có khả gây bệnh cho ngƣời gia súc - Khơng có quan di động - Khơng tạo thành bào tử Tùy theo vị trí mặt phẳng phân cắt đặc tính rời dính sau phân cắt mà ngƣời ta chia cầu khuẩn thành giống sau: - Đơn cầu khuẩn (Monococcus): Đứng riêng lẻ tế bào một, đa số sống hoại sinh đất, nƣớc không khí Đại diện: M.agilis, M.roseus, M luteus - Song cầu khuẩn (Diplococcus): vi khuẩn dính với thành đơi Một số vi khuẩn có khả gây bệnh nhƣ não mô cầu khuẩn (Neisseria meningitidis), lậu cầu khuẩn (Neisseria gonorrhoeae) - Tứ cầu khuẩn (Tetracoccus): thƣờng liên kết với thành nhóm tế bào, gây bệnh cho ngƣời, động vật - Liên cầu khuẩn (Streptococcus): gồm cầu khuẩn dính với thành chuỗi dài Ví dụ: Liên cầu khuẩn sinh mủ (S pyogenes), cầu khuẩn lên mem lactic (S lactis) Đây loại vi khuẩn gây bệnh thƣờng gặp - Bát cầu khuẩn (Sarcina): cầu khuẩn đứng thành khối gồm 16 tế bào Trong khơng khí thƣờng gặp số loài nhƣ Sarcina lutae, Sarcina aurantiaca - Tụ cầu khuẩn (Staphylococcus): cầu khuẩn dính lại đám nhƣ hình chùm nho Đa số sống hoại sinh, số gây bệnh cho ngƣời động vật nhƣ S.aureus, S epidermidis Tất cầu khuẩn nói chung khơng có tiên mao, khơng có khả di động, trừ giống Planococcus, Planosarcina Đa số cầu khuẩn bắt màu gram âm b Trực khuẩn (Bacillus, Bacterium) Là tên chung để vi khuẩn hình que, hình gậy, kích thƣớc khoảng 0,5 - x - m Các đại diện thƣờng gặp: - Bacillus (Bac.): trực khuẩn gram dƣơng, hiếu khí kị khí khơng bắt buộc, sinh bào tử Ví dụ: Bac Subtilis, Bac Anthracis - Bacterium (Bact.): trực khuẩn gram âm, hiếu khí, khơng sinh bào tử, có chu mao, gồm nhiều loại gây bệnh cho ngƣời gia súc nhƣ Salmonella, Escherichia, Shigella, Proteus Hình 1: Các nhóm hình thái chủ yếu vi khuẩn - Trực - Pseudomonas (Ps.): trƣc khuẩn gram âm, không sinh bào tử,A.cóHình mộtque tiên maokhuẩn (Bacillus) - Clostridium (Cl.): trực khuẩn gram dƣơng, kích thƣớc 0,4 - x - m, có sinh bào cầu (coccus) tạo tử, thuộc loại kỵ khí bắt buộc Đại diện thƣờng gặp: Cl Tetani B.(viHình trùng uốn ván), Cl thành chuỗi (strepto-) - liên Pasteurianumi (vi khuẩn cố định nitơ) cầu khuẩn (Streptococcus) - Corynebacterium: khơng sinh bào tử, có hình dạng kích thƣớc thay đổi tùy loại C Hình cầu tạo đám Đại diện thƣờng gặp nhƣ: trực khuẩn bạch cầu (C diphtheriae), trực khuẩn đóng dấu lợn (staphylo-) tụ cầu khuẩn (Erysipelothris shusiopathiae) (Staphylococcus) D Hình tròn sóng đơi (diplo) - song cầu khuẩn (Diplococus) E Hình xoắn - xoắn khuẩn (Spirillum, Spirochete) F Hình dấu phẩy - phẩy c Cầu trực khuẩn (Cocco-bacillus) khuẩn (Vibrio) Là loại trung gian cầu khuẩn trực khuẩn, kích thƣớc khoảng 0,25 - 0,3 x 0,4 - 1,5 m Ví dụ: vi khuẩn tụ huyết trùng (Pasteurella), vi khuẩn dịch hạch d Xoắn khuẩn (Spirillum) Gồm vi khuẩn có từ vòng xoắn trở lên, thuộc loại gram dƣơng, di động đƣợc nhờ hay nhiều tiên mao đỉnh, kích thƣớc 0,5 - x - 40 m, đa số sống hoại sinh Tùy theo cách xếp vòng xoắn mà có loại xoắn khuẩn sau: - Spirochaetales hay Borrelia (vòng xoắn thƣa, khơng đều, khơng có quy tắc), ví dụ: Borrelia gallinarum - Treponema: nhiều vòng xoắn sát cuộn đặn, có quy tắc Ví dụ: xoắn khuẩn giang mai ngƣời (Treponema pallidum) - Leptospira: vòng xoắn sát nhau, xếp lộn xộn Ví dụ: Leptospira ganicola, Leptospira ponoma e Phẩy khuẩn (Vibrio): Có hình gậy nhỏ, uốn cong nhƣ dấu phẩy, phần lớn sống hoại sinh, số có khả gây bệnh nhƣ phẩy khuẩn tả (Vibrio cholerae), vi khuẩn khử sunfat (Desulfo vibrio) 1.2.2.2 Cấu tạo tế bào vi khuẩn Tế bào vi khuẩn đƣợc cấu tạo bao gồm vỏ bọc dày bao quanh (thành tế bào), phía màng mỏng (màng tế bào chất), bên tế bào chất, nhân vật chất nhân với số quan nằm tế bào chất a Thành tế bào Thành tế bào khung vững bao bọc bên ngồi màng ngun sinh chất giúp trì hình dạng tế bào, có khả bảo vệ tế bào số điều kiện bất lợi môi trƣờng Nhờ mà áp suất thẩm thấu cao nhƣ điều kiện vật lí khắc nghiệt làm thay đổi hình dạng tế bào vi khuẩn * Cấu tạo thành tế bào: Thành tế bào chiếm 25 - 30 % trọng lƣợng khô vi khuẩn, thành phần cấu tạo thành tế bào phức tạp Cấu trúc thành tế bào vi khuẩn G- G+ khác Nói chung vi khuẩn gram dƣơng (G+) thành tế bào dày (14 - 18 nm), trọng lƣợng chúng chiếm tới 10 - 20 % trọng lƣợng khơ tế bào, thành tế bào vi khuẩn G- mỏng (10 nm) Đáng ý vách tế bào vi khuẩn không chứa cellulose - chất thƣờng thấy thành tế bào thực vật (Năm 1884 Hans Christian Gram nghĩ phương pháp nhuộm phân biệt để phân chia vi khuẩn thành nhóm khác nhau: vi khuẩn G+ - tế bào bắt màu tím vi khuẩn G- tế bào bắt màu hồng) + Ở vi khuẩn G+: màng có cấu tạo glycopeptit (còn gọi mucopeptit, peptidoglycan, murein) chiếm 95%, glycopeptit đƣợc tạo nên từ chuỗi polysaccarit, chuỗi đƣợc cấu tạo từ nhiều loại đƣờng khác gắn với đƣờng amin: N - Axetyl glucozamin, galactozamin, axit - N- Axetyl muramic Ngoài màng tế bào vi khuẩn gram dƣơng có axit teichoic, axit có loại: axit ribitteicoic axit glyxerinteicoic, vi khuẩn có loại mà thơi Axit teicoic có liên quan đến tính gây bệnh vi khuẩn G+ + Ở vi khuẩn gram âm: cấu trúc thành tế bào phức tạp, glycopeptit (chiếm 10 %), có lipit (20 %), polypeptit (50 %), polysaccarit (20 %) Qua kính hiển vi điện tử ngƣời ta thấy thành tế bào vi khuẩn G- có đặc tính nhiều lớp Ví dụ: E.coli : lớp ngồi lipoprotein, tiếp đến lớp lipopolysaccarit, sau lớp phân tử protein lớp glycopeptit b Màng nguyên sinh chất (Cytoplasmic membrane) hay màng tế bào chất (protoplasmic membrane) Màng nguyên sinh chất bên thành tế bào bao quanh tế bào chất nên thƣờng gọi màng tế bào chất Màng mỏng (khoảng 4- nm) * Cấu trúc màng tế bào chất: Màng có cấu tạo lớp: lớp lớp protein chiếm 60 - 70 %, lớp lipit chiếm 30 - 40 % mà đa phần photpholipit quay đầu kị nƣớc vào Sự phân bố protein photpholipit màng nguyên sinh chất khác vùng, có vùng nhiều protein, photpholipit ngƣợc lại Sự phân bố tạo lỗ hỏng - Hầu hết nội độc tố, thuộc loại mạnh, chịu đƣợc nhiệt cao 100oC Một số Vk sinh ngoại độc tố loại mạnh, tác dụng lên hệ thần kinh, nhƣng ko chịu đc nhiệt độ cao 5.2.1.3 Trực khuẩn thƣơng hàn Salmonella Phát năm 1885 Salmon Mỹ Chúng bị cạnh tranh E coli bị tiêu diệt có nhiều E coli hạn chế tác dụng gây bệnh Salmonella Đặc tính sinh học - Có hình que ngắn, – x 0,5µm, - khơng hình thành bào tử giáp mơ - Có nhiều tiên mao mọc xung quanh thân, có k/năng di động - Nhuộm Gram âm, bắt màu đầu  Tính chất nuôi cấy - Dễ nuôi cấy, mọc đƣợc mt thơng thƣờng, hiêu khí kị khí - Nhiệt độ: 37oC, pH trung tính - Khuẩn lạc dạng S, đơi có dạng R, kích thƣớc khuẩn lạc lớn – mm, trừ số chủng có KLạc nhỏ - Klạc màu trắng đục, mt lỏng làm mt đục đều, Klạc dạng R tạo thành hạt đọng đáy ống - Có K/năng lên men glucose có sinh bọt khí Khơng lên men lactose, saccharose - Có k/năng sinh H2S, khơng sinh indol, khơng làm lỏng gelatin  Sức đề kháng - Đề kháng tốt, sống đc lâu ngồi thể Trong đất, nƣớc sống đc – tuần, nƣớc lạnh sống đc -3 tháng, - Ở 100oC sống đc phút, 60oC sống đc 10 -20 phút - Bị ức chế E Coli đƣờng ruột  Khả biến dị di truyền: - Biến dị khuẩn lạc từ dạng S sang dạng R ngƣợc lại Khả gây bệnh - Gây bệnh thƣơng hàn, phó thƣơng hàn - VK xâm nhập qua đƣờng tiêu hóa, đến ruột non chui qua niêm mạc ruột tới bạch huyết tụ lại ptriển Khi ptriển đến số lƣợng định tế bào dung giải giải phóng nội độc tố Nội độc tố theo máu tới não gây sốt li bì, sau gây trụy tim mạch 39 - Nội độc tố tác dụng vào dây thần kinh giao cảm bụng gây đầy hơi, chứng bụng, ỉa chảy 5.2.2 Nhóm vi khuẩn gây bệnh đƣờng hơ hấp - Có nhiều hình dạng: cầu, que - Bắt màu gram dƣơng - Sống ký sinh đƣờng hô hấp ngƣời, đv, truyền bệnh qua đƣờng hô hấp - Tồn khơng khí thời gian Các chi thƣờng gặp: - Mycobacterium tuberculosis (trực khuẩn lao) - Diplococcus pneumoniae (cầu khuẩn phổi) - Corynebacterium diphteria (trực khuẩn bạch hầu) 5.2.2.1 Trực khuẩn lao (Mycobacterium tuberculosis) - Gây bệnh lao phổi ngƣời số bệnh lao khác Đặc điểm sinh học - Hình que mảnh, kich thƣớc 1-4 x 0,3 – 0,6 µm - Đơi có hình cầu nhỏ, chui qua màng lọc VK - Khơng có tiên mao, không di động - Không hinh thành bào tử, giáp mơ - Nhuộm gram dƣơng  Tính chất ni cấy - Hiếu khí bắt buộc - Nhiệt độ 24 – 42oC, opt 37oC - pH – - Khuẩn lạc mọc chậm, khó ni cấy - Khuẩn lạc có dạng R (xù xì, có nếp nhăn) Khi chuyển sang dạng S khơng tính độc - Nuôi cấy mt lỏng, VK lao mọc thành váng nhăn nheo bề mặt  Sức đề kháng: - Đề kháng cao với chất sát trùng, cồn, axit - Dễ bị tiêu diệt nhiệt độ, tia tử ngoại - mt thể chúng sống lâu với mt độ ẩm cao, tối + khả biến dị: - Biến dạng khuẩn lạc từ R (có tính độc) sang S (mất tính độc) - Đột biến kháng thuốc Khả g y bệnh - Khi xâm nhập vào thể khu trú gây bệnh nhiều quan nội tạng nhƣ phổi, ruột, bàng quang, xƣơng khớp phổ biến gây bệnh phổi - Xung quanh nơi khu trú VK thƣờng có hàng rào bạch cầu thể ngăn cản không cho VK lan ngồi Vk chui qua hàng rào bạch cầu xâm nhập vào máu quan nội tạng khác - Độc tố VK lao: nội độc tố, thành phần có chứa axit mycoilic chống lại bạch cầu thể, gây độc cho thể Vk lao sinh chất Tubeculin, chất tiêm dƣới da cho ngƣời nhiễm VK lao gây sƣng đỏ -> xét nghiệm - Bệnh lao lây qua đƣờng hơ hấp Cũng lây qua đƣờng tiêu hóa ăn uống chung bát đĩa với ngƣời bị bệnh lao 40 - Ngƣời khỏe mạnh nhiễm VK lao khơng bị bệnh sơ nhiễm Khi ngƣời yếu bệnh lao dễ phát triển Gần Số ngƣời mắc bệnh lao gia tăng, chủng VK lao kháng thuốc phổ biến 5.2.2.2 Cầu khuẩn phổi Diplococcus pneumoniae - Gây bệnh viêm phổi, viêm phế quản, viêm họng 1.Đặc điểm sinh học - Hình cầu khơng đều, đầu tròn, đầu kéo dài nhƣ hình nến, thƣờng ghép đơi - Khơng di động - Khơng hình thành bào tử, - Có k/năng hình thành giáp mơ - Gram dƣơng  Tính chất ni cấy - Khó ni cấy mt thơng thƣờng, mọc tốt mt có huyết máu, dịch mô - Nhiệt độ 37oC, pH 7,5 - 7,8 - Hiếu khí kị khí - Lên men đƣờng glucose, lactose, Saccharose, mantose sinh axit hữu làm giảm pH mt -> gây chết Vk - Khuẩn lạc S dạng tròn nhỏ, màu  Sức đề kháng: - Yếu với nhiệt độ cao chất sát trùng thông thƣờng - Chịu đƣợc nhiệt độ thấp, sống đc vài tháng thể  Khả biến dị: - Chuyển dạng khuẩn lạc dạng S sang dạng R - Đột biến kháng thuốc Khả g y bệnh - Gây bệnh chỗ xâm nhiễm, gâybệnh cục - Có thể xâm nhập vào máu, lan khắp thể: não, tim, xƣơng khớp, tai, mắt - Nội độc tố yếu - Có k/năng gây nhiễm trùng thứ phát, gây bệnh sau số bệnh nhƣ cúm, sởi, ho gà trẻ em 5.2.2.3 Trực khuẩn bạch hầu Corynebacterium diphteria - Gây bệnh bạch hầu trẻ em, tạo thành màng trắng bao bọc yết hầu, khí quản gây khó thở, tắc thở dẫn đến tử vong Đặc điểm sinh học - VK bạch hầu có hình que thẳng cong, đầu phình to giống hình tạ, -6 x 0,3 – 0,8 µm - Không di động - Không sinh bào tử, giáp mơ  Tính chất ni cấy - Hiếu khí, dễ ni, dễ mọc mt có máu huyết - Nhiệt độ 34 – 37oC, pH 7,8 – 8,4 - Khuẩn lạc có màu xám nhạt, nhỏ, tròn, lồi, bờ nhẵn - Có k/năng lên men nhiều loại đƣờng, khơng sinh khí 41  Sức đề kháng Sức đề kháng mạnh, chịu đƣợc nhiệt độ thấp, 5.3 Vi sinh vật thị ô nhiễm Tất VSV gây bệnh nguồn ô nhiễm vi sinh cho mơi trƣờng nhƣ đất , nƣớc, khơng khí, thực phẩm Tuy nhiên muốn xác định môi trƣờng có bị nhiễm vi sinh hay khơng, ngƣời ta khảo sát vài đại diện Những đại diện gọi VSV thị nhiễm Để xác định tiêu ô nhiễm vi sinh ngƣời ta dựa vào có mặt nhóm sau: 5.3.1 Escherichia coli - Chỉ số coli: Số lƣợng vi khuẩn E.Coli có lít nƣớc Nƣớc đƣợc gọi số coli từ – (tiêu chuẩn quốc tế) -Total coliform (tổng số vi khuẩn dạng coli) : số lƣợng vi khuẩn dạng coli có chung số tính chất ni cấy nhƣ hiếu khí, khả lên men đƣờn lactose - Fecal coliform: Số lƣợng vi khuẩn dạng coli có phân ngừơi số động vật 42 CHƢƠNG CƠ SỞ CỦA Q TRÌNH XỬ LÝ Ơ NHIỄM MƠI TRƢỜNG 6.1 Tình hình nhiễm mơi trƣờng 6.1.1 Ô nhiễm nƣớc thải sinh hoạt Nƣớc thải sinh hoạt nƣớc thải từ khu dân cƣ, khu vực dịch vụ công cộng, công sở, trƣờng học nhƣ buồng vệ sinh, bếp ăn, bệnh viện Lƣợng nƣớc thải sinh hoạt dao động phạm vi lớn, tuỳ thuộc vào mức sống thói quen ngƣời dân, ƣớc tính 80% lƣợng nƣớc đƣợc cấp Theo thống kê năm 1979 châu Mỹ lƣợng nƣớc thải 600 lít/ngƣời.ngày, châu Âu 350 lít/ ngƣời.ngày, châu 200 lít/ ngƣời.ngày, Việt Nam 100 lít/ngƣời.ngày thành phố 50 lít/ngƣời.ngày nơng thơn Đặc trƣng nƣớc thải sinh hoạt thƣờng chứa nhiều tạp chất khác nhau, khoảng 52% chất hữu cơ, 48% chất vô số lớn vi sinh vật Các chất bẩn tồn dƣới dạng cặn lắng, cặn lơ lửng chất hoà tan Số lƣợng vi sinh vật nƣớc thải lớn với mật độ hàng tỷ tế bào/1 g phân, hàng triệu tế bào/1ml nƣớc thải Phần lớn vi sinh dạng vi khuẩn, virut, nấm, giun sán, ký sinh trùng gây bệnh nhƣ tả, lỵ, thƣơng hàn Mức độ nhiễm bẩn vi trùng phụ thuộc tình trạng vệ sinh khu dân cƣ, nƣớc thải từ bệnh viện Bên cạnh VSV gây bệnh, nƣớc thải chứa vi khuẩn khơng gây hại có tác dụng phân huỷ sinh học chất thải nhƣ VK nitrat hóa, nitrit hố Thơng thƣờng nƣớc thải sinh hoạt có hàm lƣợng chất dinh dƣỡng cao, vƣợt yêu cầu cho trình xử lý sinh học Quá trình xử lý sinh học cần tỷ lệ chất dinh dƣỡng nhƣ sau: BOD5: N: P = 100: 5: Một tính chất đặc trƣng nƣớc thải sinh hoạt khơng phải tất chất hữu bị phân huỷ hết VSV mà khoảng 20 - 40% BOD khỏi q trình xử lý sinh học với bùn Nói chung thành phần chất nƣớc thải sinh hoạt đồng pH ổn định, điểm thuận lợi cho VSV hoạt động 6.1.2 Ô nhiễm so nƣớc thải công nghiệp Nƣớc thải công nghiệp nhà máy cơng nghiệp có sử dụng nƣớc quy trình sản xuất khác thải Nƣớc thải công nghiệp thƣờng đƣợc xử lý phạm vi nhà máy để sử dụng lại xử lý đến tiêu chuẩn xả thải nguồn tiếp nhận Lƣu lƣợng, thành phần tính chất nƣớc thải cơng nghiệp phụ thuộc vào tính đặc thù ngành sản xuất, chí ngành cơng nghiệp thành phần nƣớc thải công đoạn sản xuất khác - Ngành cơng nghiệp nặng : khai thác khống sản, dầu mỏ, luyện kim, gia cơng khí , sản xuất lƣợng Đặc trƣng nƣớc thải ô nhiễm chất vô cơ, kim loại nặng, dầu mỡ khó xử lý - Ngành cơng nghiệp hố chất: sản xuất hố chất, phân bón, chất tẩy rửa, dƣợc mỹ phẩm Nƣớc thải có chứa axit, kiềm, muối khống (có hợp chất hữu khơng tan), khí hồ tan nhiều chất độc hại khác - Ngành sản xuất hàng tiêu dùng: thuộc da, dệt nhuộm, gây nhiễm hữu - Ngành chế biến nông sản, thực phẩm: Chế biến tinh bột, rƣợu bia, sữa, rau đóng hộp, thịt hộp Phân loại nƣớc thải công nghiệp theo cấp độ ô nhiễm: 43 Loại 1: nƣớc thải có độ nhiễm thấp nhất, chủ yếu nƣớc làm mát cho thiết bị gia nhiệt, nƣớc thải từ việc tráng rửa thiết bị, bao bì khơng bị nhiễm Các loại nƣớc thải có độ nhiễm thấp, ô nhiễm nhiệt nên dễ xử lý tái sử dụng Loại 2: nƣớc thải có COD = 300 mg/l Nguồn gốc nƣớc cọ rửa sàn nhà, rửa thiết bị, dụng cụ chứa đựng có độ ô nhiễm vừa phải Có thể xử lý phƣơng pháp lọc sinh học Loại 3: loại có độ ô nhiễm cao Trong nƣớc thải loại có chứa nhiều chất thải trình sản xuất nhƣ dịch b• sau chƣng cất rƣợu cồn, dung dịch kiềm sunfit sản xuất giấy 6.2 Nguyên lý trình 6.2.1 Xử lý sinh học nƣớc thải Phƣơng pháp dựa sở sử dụng hoạt động VSV để oxy hoá chất bẩn hữu dạng keo dạng hoà tan có nƣớc thải Các VSV sử dụng chất hữu cơ, số chất khoáng làm nguồn dinh dƣỡng để xây dựng tế bào, sinh trƣởng, sinh sản tạo nên sinh khối lƣợng Để xử lý phƣơng pháp này, nƣớc thải cần phải không chứa chất độc, muối kim loại nặng nồng độ chúng không đƣợc gây hại cho VSV, tỷ số BOD/COD = 0,5, pH phải nằm dải điều chỉnh đƣợc 6.3 Một số loại vi sinh vật sử dụng xử lý ô nhiễm môi trƣờng - VSV hữu hiệu EM: có nguồn gốc từ Nhật bản, trung tâm chuyển giao công nghệ Việt Nhật, Bộ khoa học công nghệ Vịệt Nam đƣa vào thử nghiệm - VSV Emuni VSV xenlulaza: chế phẩm trung tâm ứng dụng vi sinh vật thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội - VSV Mỉcomic 3: chủng VSV Viện Công nghệ sinh học, Trung tâm khoa học tự nhiên công nghệ quốc gia 44 CHƢƠNG TÁC NHÂN VI SINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG NƢỚC 7.1 Vi sinh vật gây bệnh tiêu vi sinh nƣớc cấp sinh hoạt VSV gây bệnh ln có mặt phân ngƣời có loại: - Escherrichia coli - Cầu khuẩn Streptococcus - Vi khuẩn yếm khí tạo nha bào Clostridium Đánh giá mức độ nhiễm bẩn nƣớc VSV, ngƣời ta dùng tiêu: chuẩn độ coli (Coli titre) số coli 7.2 Quá trình tự làm nƣớc Nƣớc ao hồ, sơng suối bị nhiễm bẩn tự làm nhờ q trình chuyển hố sinh học chất bẩn nhờ hoạt động hệ vi sinh vật Chu trình thủy văn gồm nguồn nƣớc: nƣớc mƣa, nƣớc mặt, nƣớc ngầm Trong thuỷ vực chia thành tầng lớp nƣớc: lớp bùn đáy, lớp nƣớc dƣới, lớp nƣớc mặt Các trình chuyển hoá xảy đồng thời tầng: Q trình phân giải yếm khí xảy tầng bùn phần lớp nƣớc dƣới giáp với tầng đáy Các vi khuẩn yếm khí, vi khuẩn tuỳ tiện phân huỷ cách lên men hợp chất hữu cơ, sản phẩm tạo lớp đáy thƣờng khí CH4, H2S, axit hữu cơ, rƣợu, axeton Các sản phẩm tiếp tục đƣợc oxy hoá vi khuẩn hiếu khí lớp nƣớc dƣới lớp nƣớc mặt có O2 khuếch tán từ khơng khí O2 quang hợp Các hợp chất hữu trung gian đƣợc vi khuẩn hiếu khí hấp thụ oxy hố tạo sinh khối nó, CO2 muối NO3-, NO2- Rong tảo sử dụng CO2, hợp chất N, P trình quang hợp Quá trình quang hợp giải phóng O2 cung cấp cho q trình oxy hố hợp chất hữu vi khuẩn Các sinh vật tiêu thụ tảo nhƣ động vật ngun sinh, động vật bậc thấp, khơng có sinh khối tảo gia tăng chết làm nhiễm hữu cơ, lƣợng O2 hồ tan giảm, động vật chết, nƣớc lại bị ô nhiễm hữu Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình tự làm nƣớc là: Hàm lƣợng O2 hoà tan phụ thuộc vào chiều sâu hồ, điều kiện thời tiết khí hậu tầng nƣớc mặt có O2 hồ tan khuếch tán từ khơng khí quang hợp, q trình oxy hố diễn mạnh tầng nƣớc sâu hàm lƣợng O2 hoà tan giảm, tạo điều kiện yếm khí thiếu khí Cùng với có mặt O2 hoạt động hệ vi sinh vật đồng hoá chất hữu gồm có: VK hiếu khí hoạt động mạnh vùng nƣớc mặt, VK tuỳ tiện yếm khí hoạt động vùng nƣớc gần đáy Thông thƣờng số lƣợng vi sinh vật yếm khí nhiều vi sinh vật yếm khí thuận lợi cho trình tự làm nƣớc Nguồn chất thải hữu giàu N, P có ảnh hƣởng lớn phát triển tảo thực vật bậc cao nƣớc Hàm lƣợng NO3-, PO43- lớn nguyên nhân gây nên phì dƣỡng thuỷ vực Tảo thực vật phát triển sinh khối nhanh chóng dễ gây bùng nổ sinh khối Sau trình phát triển, tảo chết làm tái ô nhiễm nguồn nƣớc Do cần phải khống chế hàm lƣợng chất ô nhiễm thảI vào thuỷ vực để tránh bùng nổ tảo Các điều kiện môi trƣờng khác nhƣ nhiệt độ, ánh sáng có ảnh hƣởng định Bảng tiêu chuẩn nƣớc mặt Việt Nam: TCVN 5942.1995 tham khảo phụ lục 7.3 Vi sinh vật với q trình xử lý nhiễm mơi trƣờng nƣớc 7.3.1.Phƣơng pháp xử lý sinh học hiếu khí 45 a, Xử lý sinh học hệ thống Aeroten - Các trình sinh học diễn hệ thống: Để thực q trình oxy hố sinh học, hợp chất hữu hoà tan cần đƣợc di chuyển vào bên tế bào VSV Các hợp chất trải qua nhiều phản ứng chuyển hoá khác nguyên sinh chất tế bào Phƣơng trình tổng qt phản ứng q trình oxy hố sinh học điều kiện hiếu khí: Phản ứng oxy hoá chất hữu để đáp ứng nhu cầu lƣợng tế bào: CxHyOz + (x + y/4 - z/2) O2  xCO2 + y/2 H2O + ?H CxHyOzN + (x + y/4 - z/2 + 3/4) O2  xCO2 + (y-3)/2 H2O + NH3 + ?H Phản ứng oxy hoá hợp chất hữu tạo sinh khối CxHyOzN + NH3 + O2  C5H7NO2 + CO2 + H2O + ?H Chi phí oxy cho phản ứng tƣơng ứng với BOD nƣớc thải Quá trình hơ hấp nội bào: q trình oxy hố kéo dài, khơng đủ chất dinh dƣỡng q trình chuyển hoá chất nội bào bắt đầu xảy ra: C5H7NO2 + 5O2  5CO2 + NH3 + 2H2O + ?H Men VSV Men VSV NH3 + O2  HNO2  HNO3 - Tác nhân VSV: Quần thể VSV hệ thống xử lý hiếu khí đa dạng Chúng tồn dƣới mơ hình bơng bùn hoạt tính lơ lửng nƣớc (bể aeroten) màng VSV bám dính vật liệu lọc (bể biophin) VSV bao gồm vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm số nguyên sinh động vật • Nhóm vi khuẩn hiếu khí: có hiệu nhóm Psedomonas Putida, Pseudomonas stutreri, nhóm Aerobacter aerogenes, Nitrobacter vinograski, Bacillus subtilis Nếu môi trƣờng giàu Fe, S có chủng Alcaligenes, Flavobacterium • Nhóm vi khuẩn hơ hấp tuỳ tiện: Cellulomonas bizoteza, nhóm vi khuẩn Nitrit, Nitrat: Nitrosomonas Nitrobacter • Trong mơi trƣờng nghèo N thƣờng có vi khuẩn dạng sợi: Microthrix, thiothrix chúng làm cho bùn xốp, khó lắng • Các ngun sinh động vật: nhƣ trùng tơ (Ciliatae), trùng roi (Flagellatae) Số lƣợng VSV bùn dao động từ 108 - 1012 tế bào/1mg khô Quần thể VSV bùn hoạt tính màng VSV loại nƣớc thải tƣơng tự thành phần nhƣng khác số lƣợng phụ thuộc vào nguồn dinh dƣỡng bùn màng vi sinh, phụ thuộc chiều cao lớp vật liệu lọc b, Xử lý sinh học bể lọc sinh học Bể lọc sinh học thiết bị phản ứng sinh học VSV sinh trƣởng cố định lớp màng bám lớp vật liệu lọc (môi trƣờng lọc) Thƣờng nƣớc thải đƣợc tƣới từ xuống qua lớp vật liệu lọc đá nhựa vật liệu khác bề mặt hạt vật liệu lọc khe hở chúng cặn bẩn đƣợc giữ lại tạo thành màng Lƣợng O2 cần thiết để oxy hoá chất bẩn thâm nhập vào bể với nƣớc thải ta tƣới, qua khe hở thành bể Màng VSV đ• chết với nƣớc thải khỏi bể đƣợc giữ lại bể lắng đợt 46 7.3.2 Phƣơng pháp xử lý sinh học yếm khí Các phƣơng pháp yếm khí đƣợc dùng để lên men bùn cặn sinh trình xử lý phƣơng pháp sinh học, nhƣ nƣớc thải công nghiệp chứa hàm lƣợng chất hữu cao Để xử lý nƣớc thải ngƣời ta sử dụng q trình lên men khí metan Đó q trình phức tạp diễn theo nhiều giai đoạn Cơ chế trình chƣa biết đến cách đầy đủ xác Nhƣng ngƣời ta giải thích trình lên men khí metan gồm pha: Pha axit pha kiềm (hay pha metan) Pha axit: vi khuẩn tạo axit (bao gồm VK tuỳ tiện VK yếm khí) thuỷ phân chất rắn hữu sau lên men chất hữu phức tạp tạo thành axit bậc thấp nhƣ axit béo, rƣợu, axit amin, axeton, H2S, CO2, H2 Pha kiềm: Các vi khuẩn tạo metan gồm VK yếm khí chuyển hoá sản phẩm trung gian tạo thành CH4 CO2 47 CHƢƠNG 8: TÁC NHÂN VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI (3 tiết) 8.1 Khái niệm chất thải Các loại chất rắn hay gọi rác sản phẩm tất yếu sống, đƣợc thải từ nhiều hoạt động khác đƣợc phân loại theo nhiều cách 8.2 Phân loại chất thải Theo chất nguồn gốc tạo thành: chất thải rắn đƣợc phân thành loại: a, Chất thải rắn sinh hoạt: chất thải liên quan đến hoạt động ngƣời, nguồn tạo thành chủ yếu từ khu dân cƣ, quan, trƣờng học, trung tâm dịch vụ Chất thải rắn sinh hoạt có thành phần bao gồm kim loại, sành sứ, thuỷ tinh, gạch ngói, đất đá, cao su, chất dẻo, thực phẩm dƣ thừa hạn sử dụng, xƣơng động vật, tre gỗ Theo phƣơng diện khoa học, phân biệt loại chất thải rắn sau: - Chất thải thực phẩm: bao gồm thức ăn thừa mang tính chất dễ bị phân huỷ sinh học, q trình phân huỷ tạo mùi khó chịu, đặc biệt đIều kiện nóng ẩm - Chất thải trực tiếp động vật chủ yếu phân - Chất thải lỏng chủ yếu bùn ga cống r•nh, từ khu vệ sinh - Tro chất dƣ thừa thải bỏ khác bao gồm: vật liệu sau đốt cháy, sản phẩm sau đun nấu than, củi chất dễ cháy khác gia đình, loại xỉ than - Các chất thải rắn từ đƣờng phố có thành phần chủ yếu cây, que củi, nilon, vỏ bao gói Đặc trƣng: Chất thải giàu chất hữu cơ, hệ VSV phong phú với số lƣợng lớn: Vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn, VSV gây bệnh, trứng ký sinh trùng, côn trùng Độ ẩm cao b, Chất thải rắn công nghiệp: chất thải phát sinh từ hoạt động sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp Các nguồn phát sinh chất thải công nghiệp gồm: - Các phế thải từ vật liệu trình sản xuất công nghiệp, tro, xỉ nhà máy nhiệt điện - Các phế thải từ nguyên liệu phục vụ sản xuất - Các phế thải trình công nghệ (Chế biến nông sản, thực phẩm) - Bao bì đóng gói sản phẩm - Bùn sinh học từ hệ thống xử lý nƣớc thải công nghiệp Đặc trƣng: khối lƣợng chất thải tƣơng đối ổn định nên thành phần CTR ổn định Hệ VSV phong phú CTR sinh hoạt c, Chất thải xây dựng: Các phế thải nhƣ đất, đá, gạch ngói, bê tơng vỡ hoạt động phá dỡ, xây dựng công trình d, Chất thải nơng nghiệp: chất thải mẫu thừa thải từ hoạt động nơng nghiệp, ví dụ nhƣ: trồng trọt, thu hoạch loạI cây, quả, sản phẩm thảI từ chế biến sữa, từ lò giết mổ Theo mức độ nguy hại a, Chất thải nguy hại: bao gồm hoá chất dễ gây phản ứng, độc hại, chất thải sinh học dễ thối rữa, chất dễ cháy, nổ chất thải phóng xạ, chất thải nhiễm khuẩn, lây lan có nguy đe doạ sức khoẻ ngƣời, động vật, cỏ Nguồn phát sinh chất thải nguy hại chủ yếu từ hoạt động y tế, công nghiệp nông nghiệp Chất thải y tế nguy hại: chất thải có chứa chất hợp chất có đặc tính nguy hại trực tiếp tƣơng tác với chất nguy hại khác gây hại tới môi trƣờng sức khoẻ cộng đồng 48 b, Chất thải không nguy hại: không chứa chất hợp chất có tính nguy hại trực tiếp tƣơng tác thành phần Rác thải có khắp nơi, nhà dân, đƣờng phố, quan, nhà máy, tụ điểm công cộng nên muốn tập trung nơi xử lý cần phải có q trình thu gom rác Q trình thu gom nguồn phát sinh chở đến bãi chứa tập trung tạm thời, bãi chuyển tiếp, sau dùng phƣơng tiện có cơng suất lớn chuyển rác đến trạm xử lý hay b•i chôn lấp 8.3 Xử lý chất thải 8.3.1 Các phƣơng pháp xử lý chất thải a, Phƣơng pháp học: Tách kim loại, thuỷ tinh, giấy, chất dẻo khỏi chất thải Làm khô bùn bể phốt (sơ chế) Đốt chất thải không thu hồi nhiệt Lọc, tạo rắn chất bán lỏng b, Phƣơng pháp lý: Phân loại vật liệu Sử dụng chất thải nhƣ nhiên liệu Đúc, ép chất thải công nghiệp để làm vật liệu xây dựng c, Phƣơng pháp sinh học: Cơ chế ủ phân sinh học; Metan hoá bể thu hồi khí sinh học Đối với CT sinh hoạt, có thành phần chất hữu chiếm tỷ trọng lớn(44 - 55%) nên tận dụng để sản xuất phân hữu cơ, cung cấp cho cải tạo đất nông nghiệp 8.3.2 Xử lý CTR phƣơng pháp đốt Đốt rác giai đoạn xử lý cuối đƣợc áp dụng cho số loại rác định xử lý biện pháp khác Đây giai đoạn oxy hố nhiệt độ cao với có mặt oxy khơng khí, rác độc hại đƣợc chuyển hố thành khí CTR khơng cháy Khí tạo thành ngồi khơng khí, CTR khơng cháy đƣợc chơn lấp Nếu sử dụng cơng nghệ lò đốt tiên tiến hạn chế đƣợc khí sản phẩm mà có khả gây nhiễm Ƣu điểm công nghệ đốt: - Xử lý triệt để tiêu ô nhiễm chất thải - Dung tích CT giảm nhiều khoảng 10% dung tích ban đầu - Công nghệ cho phép xử lý đƣợc tồn chất thải thị mà khơng cần nhiều diện tích làm b•i chơn lấp - Năng lƣợng phát sinh tận dụng cho lò hơi, lò sƣởi, ngành cơng nghiệp cần nhiệt Nhƣợc điểm chủ yếu phƣơng pháp là: - Vận hành dây chuyền phức tạp, đòi hỏi lực kỹ thuật - Giá thành đầu tƣ lớn, chi phí tiêu hao lƣợng chi phí xử lý cao (nhất khâu xử lý khói) 8.3.3 Xử lý CT phƣơng pháp chôn lấp Thực chất phƣơng pháp lƣu giữ chất thải bãi có đất phủ lên Chôn lấp hợp vệ sinh tức chôn lấp kỹ thuật kiểm soát đƣợc phân huỷ CTR CRT bãi chôn lấp bị tan rữa nhờ trình phân huỷ sinh học bên tạo sản phẩm 49 cuối chất giàu dinh dƣỡng nhƣ axit hữu cơ, nitơ, hợp chất amon số khí CH4, CO2 Khu vực bãi chôn lấp đƣợc quy hoạch thiết kế xây dựng kỹ thuật Phân loại bãi chon lấp: - Loại 1: Bãi chôn lấp rác thải đô thị: loại bãi đòi hỏi hệ thống thu gom xử lý nƣớc rò rỉ, hệ thống thu gom nƣớc bề mặt, thu hồi khí tạo thành - LoạI 2: Bãi chơn lấp chất thải nguy hại Loại đòi hỏi nhiều vốn đầu tƣ quản lý kiểm soát nghiêm ngặt q trình thi cơng vận hành - LoạI 3: Bãi chôn lấp chất thải xác định trƣớc: nhƣ tro sau đốt, CT công nghiệp khó phân huỷ 8.3.4 Xử lý chất thải rắn phƣơng pháp ủ sinh học Ủ sinh học (compost) đƣợc coi nhƣ trình ổn định sinh hoá chất hữu để thành chất mùn Quá trình ủ hữu từ rác hữu phƣơng pháp truyền thống, đƣợc áp dụng rộng r•i phổ biến quốc gia phát triển Những đống lá, đống phân để hàng năm thành chất thải hữu thành phân ủ ổn định bón cho Để tăng hiệu phân huỷ cấp khí, đảo xới để tăng hoạt động hệ VSV Vai trò hệ VSV hiếu khí đặc biệt nấm mốc xạ khuẩn lớn Q trình xử lý CTR tiến hành ủ điều kiện yếm khí hiếu khí có kết hợp sản xuất phân hữu Q trình xử lý yếm khí đƣợc tiến hành giống nhƣ xử lý yếm khí nƣớc thải, đƣợc áp dụng rác giàu chất hữu cơ, có thu khí biogas Q trình ủ hiếu khí có đảo trộn định kỳ tạo nhiều nhiệt, san rphẩm cuối trình phân huỷ CO2, nƣớc hợp chất hữu bền nhƣ lignin, xenlulo a, Công nghệ ủ sinh học theo đống: b, Công nghệ ủ sinh học theo quy mô công nghiệp 50 CHƢƠNG 9: TÁC NHÂN VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ KHÍ THẢI 9.1 Nguyên lý trình xử lý sinh học khí thải Có nhiều nguồn gây nhiễm khơng khí Có thể chia thành nguồn gốc tự nhiên nguồn gốc nhân tạo a, Nguồn ô nhiễm tự nhiên Do tƣợng thiên nhiên gây ra: Núi lửa: Núi lửa phun nham thạch nóng nhiều khói bụi giàu sunfua, metan, loại khí khác Khơng khí chứa bụi lan toả xa đƣợc phun lên cao Cháy rừng: Các đám cháy rừng đồng cỏ tự sấm chớp, cọ xát thảm thực vật khô nhƣ tre, cỏ Các đám cháy thƣờng lan truyền rộng, phát thải nhiều bụi khí Bão bụi cát lóc xốy, gió mạnh, mƣa bào mòn sa mạc đất trồng trọt gió thổi tung lên thành bụi Nƣớc biển bốc với sóng biển tung bọt mang theo bụi muối lan truyền vào khơng khí Các q trình phân huỷ, thối rữa xác động thực vật tự nhiên phát thải nhiều chất khí, phản ứng hố học khí thiên nhiên hình thành khí sunfua, nitrit, loại muối Các loại bụi, khí gây nhiễm khơng khí Tổng lƣợng tác nhân gây nhiễm có nguồn gốc tự nhiên thƣờng lớn nhƣng phân bố rộng khắp trái đất, tập trung vùng thực tế ngƣời sinh vật quen thích nghi với tác nhân b, Nguồn nhiễm nhân tạo Nguồn gây ô nhiễm nhân tạo đa dạng, nhƣng chủ yếu hoạt động sau: Các hoạt động cơng nghiệp, đốt cháy nhiên liệu hố thạch (gỗ củi, than đá, khí đốt ), hoạt động phƣơng tiện giao thông, phần hoạt động sản xuất nông nghiệp sinh hoạt ngƣời * Nguồn nhiễm cơng nghiệp: q trình sản xuất gây là: q trình đốt nhiên liệu hố thạch để lấy nhiệt, đ• thải nhiều khí độc hại qua ống khói nhà máy vào khí Q trình bốc hơi, rò rỉ, thất thoát chất độc dây chuyền sản xuất đƣờng ống dẫn tải Nguồn thải qúa trình sản xuất đƣợc hút thổi ngồi hệ thống thơng gió Nguồn thải q trình sản xuất có nồng độ độc hại cao, tập trung không gian nhỏ Nguồn thải từ hệ thống thơng gió có nồng độ độc hại thấp nhƣng lƣợng thải lớn Các ngành công nghiệp chủ yếu gây ô nhiễm không khí bao gồm: Các nhà máy nhiệt điện thƣờng dùng nhiên liệu than đá, dầu, khí đốt Các chất độc oxy khí thải gồm: CO2, NOxơ, CO, SO2, bụi tro Ngành vật liệu xây dựng: xi măng, gạch ngói, đồ sành sứ, thuỷ tinh, sử dụng lò đốt nhiều nhiên liệu hố thạch thải nhiều khói bụi Các nhà máy thuỷ tinh thải lƣợng lớn khí HF, SO2 Các nhà máy gạch, lò nung vơi thải lƣợng lớn bụi, khí CO, CO2, NOx, đặc biệt từ lò nung thủ cơng có ống khói thấp, cơng nghệ thơ sơ Ngành hố chất phân bón: thải mơi trƣờng nhiều khí độc hại khác nhau, khí khó phân tán pha lo•ng mơi trƣờng Các thiết bị cơng nghiệp hóa chất thƣờng đặt ngồi trời nên việc rò rỉ khơng khí khó kiểm sốt Ngành cơng nghiệp luyện kim, khí thải nhiều bụi khói kim loại, khói thải đốt nhiên liệu, hố chất độc hại q trình luyện gang, thép, nhiệt luyện kim loại Ngành chế biến thực phẩm đồ uống: khí phát thải trình chế biến đun nấu, rác thải bị phân huỷ thối rửa 51 * Nguồn ô nhiễm hoạt động giao thông vận tải: chủ yếu xảy tuyến đƣờng giao thơng Các khí độc hại phát sinh đốt cháy nhiên liệu(dầu, than) sinh khí CO, SO2, NOx, bụi chì, khí hydrro cacbua cháy chƣa hết Các phƣơng tiện giao thông chuyển động kéo theo lƣợng lớn bụi cát Ô nhiễm tiếng ồn dọc trục giao thông cao Vận tải hàng không, máy bay siêu âm độ cao lớn thải nhiều khí NOx có hại cho tầng zon khí * Nguồn nhiễm hoạt động nông nghiệp: Nông nghiệp ngày sử dụng nhiều chất hố học làm thuốc trừ sâu, chất kích thích sinh trƣởng, phân bón hố học Một phần hố chất bay vào khơng khí, góp phần làm tăng lƣợng khí nhiễm * Nguồn nhiễm sinh hoạt: chủ yếu phát sinh từ đun nấu, lò sƣởi sử dụng nhiên liệu chất lƣợng Khí độc chủ yếu CO2, CO Lƣợng phát thải chủ yếu phân bố cục không gian nhà nên gây độc hại trực tiếp cho ngƣời 9.2 Các hệ thống làm khơng khí phƣơng pháp sinh học Có kiểu hệ thống làm khơng khí phƣơng pháp sinh học 1.Tấm lọc sinh học Thành phần bio-filter lớp lọc, xảy q trình hấp thụ chất độc từ khơng khí bị nhiễm bẩn phân hủy chúng vi sinh vật Các vật liệu lọc có chứa chất dinh dƣỡng để ni dƣỡng vi khuẩn, ví dụ bùn hoạt tính 2.Các thiết bị làm sinh học (Bio-scruber) Nguyên tắc hoạt động bio-scruber khác so với bio-filter chất độc đƣợc hấp thụ nƣớc bị phân hủy VSV nằm thiết bị khác Thành phần cấu tạo quan trọng bio-scruber thiết bị hấp thụ, nơi diễn trao đổi khối lƣợng chất khí thải nhiễm bẩn chất hấp thụ 3.Các bioreactor chứa màng lọc polymer Những Bio-reactor có chứa màng polymer gắn tế bào vi sinh vật hệ thống làm khơng khí tiên tiến Việc làm chất độc nhờ hoạt tính enzym tế bào VSV đƣợc cố định màng 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO - Tài liệu chính: [1] Lê Xn Phƣơng (2001) Giáo trình Vi sinh vật học môi trƣờng, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội [2] Lƣơng Đức Phẩm (2015) Công nghệ vi sinh, NXB Đại học QGHN [3] Nguyễn Xuân Thành (2004) Vi sinh vật học nông nghiệp, NXB ĐH Sƣ phạm - Tài liệu tham khảo: [1] Nguyễn Thành Đạt ( 2001) Cơ sở sinh học vi sinh vật, NXB Giáo dục [2] Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty (2000) Vi sinh vật học, NXB Giáo dục [3] Nguyễn Thanh Hà (2005) Giáo trình Vi sinh ký sinh trùng, NXB Hà Nội [4] Trần Linh Thƣớc (2002) Phƣơng pháp phân tích vi sinh vật nƣớc, thực phẩm mỹ phẩm, NXB Giáo dục [5] Kiều Hữu Ảnh(1999) Giáo trình Vi sinh vật cơng nghiệp, NXB KH KT 53 ... Bài giảng Vi sinh mơi trường đƣợc biên soạn cho lớp Đại học Quản lý tài nguyên môi trƣờng làm tài liệu học tập Bài giảng cung cấp kiến thức cho sinh vi n loài vi sinh vật Đây môn học sở cho sinh. .. loại vi sinh vật sử dụng xử lý ô nhiễm môi trƣờng 44 CHƢƠNG TÁC NHÂN VI SINH VẬT TRONG Q TRÌNH XỬ LÝ Ơ NHIỄM MƠI TRƢỜNG NƢỚC 45 7.1 Vi sinh vật gây bệnh tiêu vi sinh nƣớc cấp sinh. .. cho vi sinh vật tránh khỏi ảnh hƣởng có hại ánh sáng thƣờng ánh sáng tử ngoại Một số loài vi sinh vật có sắc tố có khả kháng sinh * Vitamin: Rất nhiều vi sinh vật có khả tổng hợp loại vitamin Vitamin