Tìm hiểu về vi khuẩn nitrat hoá, phương pháp tăng sinh, phân lập và xác định hoạt tính

Dựa vào điểm này, nên em đã quyết định chọn đề tài “Tìm hiểu về vi khuẩn nitrat hoá: Nitrosomonas và Nitrobacter, phương pháp tăng sinh, phân lập, xác định hoạt tính và ứng dụng của chú

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Giảng viên hướng dẫn : ThS: Huỳnh Văn Thành

MSSV: 1191111033 Lớp: 11hsh02

TP Hồ Chí Minh, 2013

Nitrosomonas và Nitrobacter Tiếp đó nitrit, nitrat chuyển thành Nitơ phân tử phát

tán vào trong không khí nhờ tác dụng của những vi khuẩn phản Nitrat hoá

Ngày nay, việc ứng dụng các chế phẩm vi sinh vật để xử lý nước các hồ bị ô nhiễm được sử dụng ngày một phổ biến Khác với phương pháp vật lý, hoá lý… việc bổ sung các chế phẩm vi sinh vào trong hồ giúp tăng cường khả năng phục hồi

và thúc đẩy quá trình tự làm sạch trong hệ sinh thái của hồ Do vậy, đây là phương pháp có tính ổn định cao và là một hướng đi rất thân thiện với môi trường

Ngành công nghiệp chế biến thủy sản ở nước ta đã phát triển không ngừng trong những năm gần đây và đang là ngành mũi nhọn trong việc thúc đẩy phát triển nền kinh tế của nước nhà, mang lại nhiều lợi nhuận kinh tế cho đất nước, tạo ra nhiều công ăn việc làm cho người dân … Tuy nhiên, bên cạnh những mặt tích cực

ấy, thì còn rất nhiều công ty, nhà máy xí nghiệp chế biến thủy hải sản ở nước ta chưa có đầu tư và vận hành hệ thống xử lý nước thải; nước thải chế biến thủy sản được thải với lượng lớn ra ngoài môi trường, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là môi trường nước Chính vì vậy để khắc phục tình trạng ô nhiễm này đã có nhiều biện pháp xử lý khác nhau nhằm hạn chế và giảm bớt hàm lượng chất thải hữu cơ có chứa nitơ trong hệ thống xử lý nước thải trước khi nước được thải ra ngoài Và phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là xử lý bằng phương pháp sinh học để xử lý nước thải chế biến thủy sản, với việc bổ sung vi sinh vật

được phân lập nuôi cấy từ bên ngoài vào hệ thống xử lý nước thải nhằm tăng cường hiệu quả xử lý trước khi nước được thải ra ngoài Dựa vào điểm này, nên em

đã quyết định chọn đề tài “Tìm hiểu về vi khuẩn nitrat hoá: Nitrosomonas và

Nitrobacter, phương pháp tăng sinh, phân lập, xác định hoạt tính và ứng dụng của chúng trong việc xử lý nước thải” với mục đích là biết rõ hơn về vi khuẩn

nitrat hoá, các quá trình tăng sinh, phân lập các chủng vi khuẩn nitrate hóa, khả năng xử lý nitơ từ các nguồn nước thải

2 Tình hình nghiên cứu:

2.1 Trên thế giới:

Sự phân lập vi khuẩn nitrate hóa trong môi trường nuôi cấy thuần khiết đã

được thực hiện thành công đầu tiên bởi Winogradsky (1890) Sự thành công này

của ông đã được biết đến vài năm trước khi quá trình nitrate hóa được tìm ra là do

những sinh vật sống thực hiện (Schloesing & Muntz, 1877) và sự cố gắng của

Frankland cùng các cộng sự (1890) để phân lập những sinh vật ấy bằng những

phương pháp vi khuẩn học thường dùng đã gặp thất bại

Năm 1950, bằng phương pháp cải tiến từ phương pháp của Winogradsky,

Jane Meiklejohn đã thành công trong việc phân lập chủng Nitrosomonas europaea

từ sự nuôi cấy thuần khiết Và cũng trong nghiên cứu này, bà cũng đã tìm ra được môi trường thích hợp (có bổ sung thành phần vi lượng cần thiết) để duy trì hoạt tính của các chủng vi khuẩn nitrate hóa (qua nhiều lần cấy chuyển môi trường để tăng sinh mà không bị mất hoạt tính như ban đầu bà đã vấp phải khi mới bắt đầu

nghiên cứu) Năm 1960, Watson và cộng sự đã mở ra một kỉ nguyên mới trong

việc phân lập và nuôi cấy loại vi khuẩn này, họ đã phát hiện ra và đặt tên cho hơn

16 chủng vi khuẩn oxi hóa NH3 khác

Năm 1968, S.Soriano và N.Walker đã thành công trong việc phân lập và tinh

sạch được Nitrosomonas spp.và Nitrosocystis spp bằng việc sử dụng môi trường

agar tinh chế và một phương pháp thu nhận những tập đoàn với những pipet mao quản thủy tinh được hoạt động bởi máy vi thao tác đơn trước đây đã được mô tả

bởi Soriano (1935)

2.2 Tại Việt Nam:

Trần Liên Hà, Phạm Tuấn Anh, Nguyễn Thị Thanh (2007) đã phân lập được

4 chủng vi khuẩn nitrate hóa ứng dụng vào xử lý nước hồ bị ô nhiễm

Hoàng Phương Hòa, Trần Văn Nhị, Phạm Việt Cường, Nguyễn Thị Kim Cúc (2008) đã phân lập được 6 chủng vi khuẩn nitrate hóa từ nước lợ nuôi tôm và ứng dụng xử lý nitơ trong ao nước nuôi tôm

3 Mục đích nghiên cứu:

Tìm hiểu về quá trình nitrat hoá và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này

Qui trình tăng sinh, phân lập, các cách xác định hoạt tính của vi khuẩn

Nitrosomonas spp và Nitrobacter spp

Biết được các phương pháp định lượng nitrite và amoni trong các mẫu nước thải Tìm hiểu về ứng dụng của vi khuẩn nitrat hoá trong nghành công nghiệp hiện nay

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Tìm hiểu về qui trình tăng sinh, phân lập, xác định hoạt tính của vi khuẩn

Nitrosomonas spp và Nitrobacterspp có nguồn gốc từ các mẫu nước thải

Tìm hiểu về ứng dụng của vi khuẩn nitrat hoá trong nghành công nghiệp hiện nay

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

NO2- và NO3- Những tác động gây ô nhiễm quan trọng có liên quan tới sự hiện diện của những chất thải có bản chất nitơ ấy bao gồm: sự cạn kiệt oxi hòa tan

(DO), độc tính (Toxicity), sự thiếu oxi trong nước (Eutrophications) và sự làm mất

khả năng vận hành oxi trong máu (Methemoglobinemia)

Để giảm bớt những ảnh hưởng bất lợi của những chất thải có bản chất nitơ cho nguồn nước tiếp nhận, một hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) phải đảm bảo yêu cầu xử lý và giảm lượng chất thải có bản chất nitơ xuống dưới hoặc bằng mức cho phép của tiêu chuẩn xả thải trong nước thải đầu ra của hệ thống

xử lý nước thải ấy Hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) phải đảm bảo quá trình oxi hóa nitơ (nitrify) và quá trình khử nitơ (denitrify) những chất thải

có bản chất nitơ xảy ra hoàn tất trong cả quá trình hoạt động của hệ thống Yêu cầu của quá trình nitrate hóa (nitrification) thường được đưa ra như giới hạn thải ra

NH3 và yêu cầu của quá trình phản nitrate (denitrification) thường được đưa ra như giới hạn Tổng nitơ hay Tổng nitơ Kjeldahl (TKN)

1.1.1 Sự cạn kiệt oxi hòa tan (DO):

Việc thải ra những chất thải có bản chất nitơ vào nguồn nước nhận là kết quả của sự cạn kiệt nguồn oxi hòa tan trong nguồn nước nhận ấy Sự cạn kiệt xảy ra thông qua sự tiêu thụ oxi hòa tan bởi hoạt động của vi khuẩn

Đầu tiên, NH4+ được oxi hóa thành NO2- và NO2- được oxi hóa thành NO3

-bên trong nguồn nước tiếp nhận Quá trình oxi hóa mỗi ion xảy ra bằng oxi hòa tan được di chuyển từ nguồn nước tiếp nhận vào vi khuẩn và gia tăng thêm NH4+ và

NO2- Tiếp theo, NH4+, NO2- và NO3- đáp ứng như là nguồn nitơ dinh dưỡng cho sự

tăng trưởng của những thực vật sống ở nước, chủ yếu là những loài tảo Khi những thực vật ấy chết đi, oxi hòa tan sẽ được di chuyển từ nguồn nước tiếp nhận vào vi khuẩn để phân hủy những thực vật đã chết ấy

NH4+ NO2- NO3

-1.1.2 Độc tính (Toxicity):

Ba ion có bản chất nitơ trên (NH4+, NO2- & NO3-) có thể là độc chất cho sự sống của những loài thủy sinh vật, đặc biệt nhất là cá Những ion NH4+ và NO2- là

vô cùng độc Và NO2- là độc nhất trong 3 loại ion có bản chất nitơ

Mặc dù NH4+ là nguồn dinh dưỡng nitơ ưa thích nhất cho phần lớn sinh vật sống, NH4+ được biến đổi thành NH3 với sự tăng lên của pH và gây độc cho sự sống của thủy sinh vật

1.1.3 Sự thiếu oxi trong nước (Eutrophication):

Trong khi phosphate (PO42-) là nguồn gốc chính yếu của sự thiếu oxi trong nước thì những chất thải có bản chất nitơ cũng góp phần quan trọng cho vấn đề ô nhiễm nước này

Sự thiếu oxi trong nước nói đến sự thải ra những chất dinh dưỡng của thực vật (chủ yếu là: phốt pho và nitơ) vào nước sạch (như: hồ và ao) Sự hiện diện những chất dinh dưỡng này kích thích sự tăng trưởng nhanh chóng hay sự ra hoa của thực vật thủy sinh, bao gồm cả tảo Khi những thực vật thủy sinh này già và chết đi, xác của chúng sẽ làm cho nguồn nước thiếu oxi do quá trình hoạt động phân hủy hiếu khí của những vi sinh vật diễn ra Sự thiếu oxi trong nước dẫn đến

sự lão hóa nhanh chóng của nguồn nước ngọt khi chúng mất khá nhiều oxi cho sự phân hủy này Và sự tích lũy xác những thực vật thủy sinh ngày càng nhiều dẫn đến khả năng phân hủy của nguồn nước bị giảm đi đến mức chúng không thể phân hủy được nữa, không tự làm sạch được nữa thì dẫn đến nguồn nước ấy bị ô nhiễm

1.1.4 Sự làm mất khả năng vận hành oxi trong máu (Methemoglobinemia):

Từ “Methemoglobinemia” hay “Hội chứng da xanh ở trẻ em” nói đến một

căn bệnh của những đứa trẻ còn nhỏ (dưới 6 tháng tuổi) ăn uống phải nước ngầm

đã nhiễm bẩn NO3- Khi một đứa bé ăn uống những thứ được làm ra từ nước ngầm

đã bị nhiễm bẩn NO3- thì những ion này dễ dàng được biến đổi thành NO2- trong đường tiêu hóa của đứa bé Ion NO2- này xâm nhập vào hệ tuần hoàn của đứa trẻ và nhanh chóng liên kết với Fe trong nhân của Hemoglobin hay những tế bào hồng cầu

Sự hiện diện của NO2- trong nhân ngăn cản Hemoglobin thu được oxi khi nó

đi qua phổi của đứa trẻ Sự thiếu oxi trong cơ thể của đứa trẻ dẫn đến da của đứa

trẻ trở nên xanh xao, vì thế mới có thuật ngữ “Blue baby syndrome” Nếu thiếu oxi

trong não của đứa trẻ, chứng liệt hay chết có thể xuất hiện

Methemoglobinemia thường xuất hiện ở những vùng nông thôn, nơi mà nước

dùng để uống được thu từ nước ngầm Methemoglobinemia không có dấu hiệu để

cảnh báo và mặc dù nó có thể xuất hiện với những người trưởng thành, nó có thể độc hơn nhiều với những đứa trẻ sơ sinh bởi vì pH trong cơ thể chúng thấp hơn và trọng lượng cơ thể chúng thấp hơn khi so sánh với những người trưởng thành Và khi ion NO3- ở nồng độ cao cũng có thể làm tăng nguy cơ gây ung thư dạ dày ở mọi lứa tuổi

1.2 Chu trình nitơ trong nước thải (The Wastewater Nitrogen Cycle):

Hình 1.1: Chu trình nitơ trong nước thải

Có nhiều hợp chất có bản chất nitơ tồn tại trong môi trường sống và trong hệ thống xử lý nước thải Phần lớn nitơ tìm thấy trong môi trường sống tồn tại dưới dạng nitơ phân tử (N2) trong bầu khí quyển chúng ta (chúng chiếm tới 76% trong bầu khí quyển so với các khí khác)

Mặc dù sự cấu thành không nhiều của nitơ trong sinh khối so với carbon hay oxi nhưng nitơ là một yếu tố thiết yếu của tất cả sự sống sinh vật Nó được kết hợp chặt chẽ trong nguyên liệu tế bào và được dùng cho sự tăng trưởng, tạo ra enzyme

và thông tin về di truyền học Tuy nhiên, nitơ phân tử được cấu tạo từ 2 nguyên tử nitơ nối với nhau bằng 3 dây nối N N, nó rất khó để hầu hết sinh vật có thể bẻ gãy May thay, nitơ phân tử được tạo ra sẵn có cho sự sống sinh vật khi mà liên kết

3 bị bẻ gãy bởi một nhóm vi khuẩn duy nhất và được cố định lại hay biến đổi thành

NH4+

Những vi khuẩn biến đổi nitơ phân tử thành NH4+ là những vi khuẩn cố định nitơ Những vi khuẩn này có thể sống tự do trong đất xung quanh rễ của thực vật hay có thể tăng trưởng cộng sinh trong rễ của những cây họ đậu

Sự cố định nitơ tức là sự chuyển đổi nitơ phân tử thành NH4+, được hoàn thành bởi enzyme nitrogenase chỉ được tìm thấy trong những vi khuẩn cố định nitơ Trước khi sự sử dụng phân bón nitơ lan rộng, thực vật tăng trưởng nốt sần hay những cây họ đậu cung cấp nitơ cho đất Ví dụ những cây họ đậu bao gồm: Cỏ linh lăng, Cỏ ba lá và những cây Đậu nành

Một vài loài tảo cũng có thể sử dụng nitơ phân tử để sản xuất ra amino acid

và protein Tảo lấy nitơ phân tử từ không khí và đồng hóa chúng thành những phân

tử hữu cơ Cuối cùng, những phân tử hữu cơ này với nitơ liên kết thành cấu trúc của chúng và được tiêu thụ trong suốt chiều dài của chuỗi thức ăn; như là tảo được tiêu thụ bởi những dạng sống cao hơn

Sự di chuyển của nitơ và sự thay đổi chính nó trong các trạng thái oxi hóa từ không khí sang sinh vật sống đến hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) và sự trở lại của nó vào không khí là chu trình nitơ trong nước thải Chu trình này liên kết với những hợp chất có bản chất nitơ then chốt liên tiếp như: nitơ phân

tử (N2), amino acid, protein, urea, NH4+, NH3, NO2- và NO3- Trong đó, amino acid

và protein là những dạng hữu cơ của nitơ; còn nitơ phân tử (N2), NH4+, NH3, NO2

-và NO3- là những dạng vô cơ của nitơ

Sự sản sinh ra NO2- và NO3- trong hệ thống cống rãnh là hiếm thấy Những điều kiện trong hệ thống cống rãnh là không phù hợp cho sự tạo ra hay quá trình nitrate hóa của những ion này Những điều kiện bất lợi trong hệ thống cống rãnh ngăn cản quá trình nitrate hóa bao gồm: sự thiếu oxi thích hợp, quần thể vi khuẩn nitrate hóa nhỏ và thời gian nước được giữ lại ngắn Tuy nhiên, lượng rất lớn NO2-

và NO3- có thể được tìm thấy trong hệ thống cống rãnh nếu chúng được thải ra từ nguồn nước thải công nghiệp có những ion này, như là nước thải nhà máy thép Những amino acid và protein trong mô thực vật, trong rễ, trong hạt và từ thịt vật nuôi được thải trực tiếp vào hệ thống cống rãnh (rác vứt bỏ đi, nước thải chế

biến thực phẩm) và gián tiếp vào hệ thống cống rãnh (chất thải có bản chất là phân) Nhiều vi khuẩn trong hệ thống cống rãnh khử nhóm amino (-NH2) ra khỏi các amino acid và protein Sự khử nhóm NH2 được hoàn thành với enzyme deaminase và đưa đến kết quả là tạo ra NH4+ Sự tạo thành NH4+ còn được biết đến như là quá trình amôn hóa Sự khử nhóm NH2 của amino acid phenylalanine được cho thấy:

Phenylalanine–Proteus NH4+ Phenylpyruvic acid

Urea: là một hợp chất nitơ hữu cơ, chúng được tìm thấy trong nước tiểu,

phân bón và những chất thải từ chăn nuôi Khi mà được thủy phân bởi enzyme urease của vi khuẩn, NH4+ được giải phóng Enzyme urease được tìm thấy trong

nhiều sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ liên kết với phân bao gồm: Citrobacter

Sự thủy phân urea thành NH3 và CO2 bởi hoạt động của vi khuẩn là rất nhanh chóng Ở pH của hệ thống cống rãnh NH3 nhanh chóng được biến đổi thành NH4+

NH2COHN2 H2O –Citrobacter 2NH3 CO2

Những amino acid và những protein không được phân hủy trong hệ thống cống rãnh có thể được phân hủy trong hệ thống xử lý nước thải (bể aerotank) Sự phân hủy những amino acid và protein trong bể aerotank cũng đưa đến kết quả sản sinh ra NH4+

Những ion NH4+ trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) có vài nhiệm vụ Chúng có thể được dùng như nguồn dinh dưỡng nitơ bởi những sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ và vi khuẩn nitrate hóa Chúng có thể được giải phóng ra ngoài không khí như NH3 ở pH cao và dưới những điều kiện hoạt động

thích hợp, Nitrosomonas có thể oxi hóa chúng thành NO2- Nếu những ion NH4+

không được sử dụng như nguồn dinh dưỡng, hóa thành khí hay oxi hóa, chúng được chảy vào trong hệ thống nhánh của bể aerotank

Dưới nhiệt độ lạnh hay điều kiện phương pháp hệ thống có giới hạn, ion NO2

-có thể tích lũy lại trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) NO2

-cũng có một vài nhiệm vụ trong hệ thống bùn hoạt tính NO2- còn có thể được oxi

hóa sinh học bởi Nitrobacter tạo thành NO3- dưới những điều kiện hoạt động thuận lợi Nếu NH4+ và NO2- không có sẵn trong bể aerotank, NO3- được dùng như là nguồn dinh dưỡng nitơ bởi những sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ Nếu những ion NO2- không bị oxi hóa hay được dùng như nguồn dinh dưỡng nitơ, chúng được chảy vào hệ thống nhánh của bể aerotank Trong bể lắng 2, NO2- có thể được khử thành các khí N2O và N2

NO3- trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) có một vài nhiệm vụ Trong sự vắng mặt của NH4+ trong bể aerotank, NO3- có thể được dùng như nguồn dinh dưỡng nitơ Nếu NO3- không được dùng như một nguồn dinh dưỡng nitơ thì chúng được chảy vào hệ thống nhánh của bể aerotank Trong bể lắng 2, NO3- có thể được khử nitrate

Những ion NO3- là quan trọng chủ yếu trong chu trình nitơ nước thải Chúng

là sản phẩm của quá trình nitrate hóa, cơ chất của quá trình phản nitrate hóa và là nguồn dinh dưỡng nitơ khi mà NH4+ không có sẵn NO3- được sử dụng như nguồn dinh dưỡng nitơ thông qua một hệ thống sinh học được biết như sự đồng hóa nitrate Những ion NO3- rất dồi dào, nguồn nitơ vô cơ trong nguồn nước

Sự phản nitrate có thể xảy ra trong lớp bùn của bể lắng 2 (trong Hệ thống xử

lý nước thải) khi mà điều kiện kỵ khí xảy ra trong lớp bùn Ở đây vi khuẩn kỵ khí tùy nghi sử dụng NO2- và NO3- để phân hủy cBOD hòa tan (carbonaceous BOD)

Sự phân hủy này được liên kết với sự giải phóng phân tử nitơ

Những ion NH4+ có thể được loại bỏ bởi hoạt động trộn hay sự hóa khí vào không khí như NH3 Tuy nhiên lượng NH3 mất đi qua sự hóa khí là rất nhỏ, tức là

ít hơn 10%

Khi mà những chất thải nitơ hữu cơ không còn có sẵn nữa để giải phóng ra

NH4+, lượng NH4+ giảm Sự giảm NH4+ xảy ra vì chúng được dùng như là nguồn dinh dưỡng nitơ và bị oxi hóa thành NO2- và NO3- Nếu quá trình nitrate hóa bắt đầu một cách đúng đắn, không có sự tích lũy của NO2- xảy ra Một vài ion NO3- có thể được loại bỏ đi như là nguồn dinh dưỡng nitơ khi mà NH4+ bị cạn kiệt Nếu quá trình phản nitrate xảy ra thì lượng NO3- sẽ bị giảm rất lớn, có lẽ được loại trừ

1.3 Quá trình nitrate hoá

1.3.1 Giới thiệu về quá trình nitrate hóa trong môi trường (Introduction to Nitrification):

Quá trình nitrate hóa sinh học là sự biến đổi hay oxi hóa NH4+ thành NO2- và sau đó thành NO3- Trong thời gian oxi hóa NH4+ và NO2-, oxi được cộng thêm vào những ion này bởi một nhóm sinh vật duy nhất, những vi khuẩn nitrate hóa Quá trình nitrate hóa xảy ra trong tự nhiên và trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) Quá trình nitrate hóa trong đất là đặc biệt quan trọng trong tự nhiên, bởi vì nitơ được hấp thu bởi thực vật như là nguồn dinh dưỡng dưới dạng NO3- Quá trình nitrate hóa trong nước có liên quan đến xử lý nước thải, nhất là đảm bảo yêu cầu xả thải theo đúng quy chuẩn cho phép

NH4+ và NH3 là những dạng của hợp chất nitơ, chúng được oxi hóa trong suốt quá trình nitrate hóa Số lượng của NH4+ và NH3 trong bể aerotank của hệ thống xử

lý nước thải được quyết định bởi pH và nhiệt độ trong hệ thống

Sự oxi hóa NH4+ và NO2- được hoàn thành thông qua sự thêm vào oxi hòa tan bên trong những tế bào vi khuẩn Bởi vì quá trình nitrate hóa hay sự thêm vào oxi của những phản ứng hóa sinh xảy ra bên trong những tế bào sinh học, quá trình nitrate hóa xảy ra thông qua những phản ứng hóa sinh

Những ion NH4+ được tạo ra trong nước thải từ sự thủy phân urea và sự phân hủy những hợp chất nitơ hữu cơ Sự thủy phân và sự phân hủy những hợp chất nitơ hữu cơ đưa đến kết quả là sự giải phóng ra những nhóm amino (-NH2) và sự tạo thành NH4+

Mặc dù có nhiều sinh vật có khả năng oxi hóa NH4+ và NO2-, nhưng những sinh vật ban đầu chịu trách nhiệu chính trước nhất cho quá trình nitrate hóa trong

hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) đó là 2 giống vi khuẩn nitrate

hóa, Nitrosomonas và Nitrobacter Những giống này sở hữu những enzyme và cấu

trúc tế bào đặc biệt cho phép chúng hoàn thành quá trình nitrate hóa quan trọng này

Tốc độ của quá trình nitrate hóa đạt được bởi những vi khuẩn nitrate hóa thường là 1.000 – 10.000 lần lớn hơn tốc độ của quá trình nitrate hóa bằng những

sinh vật khác Bên cạnh những vi khuẩn nitrate hóa, có 2 Protozoa chúng hiện diện

với số lượng rất lớn trong lúc quá trình nitrate hóa diễn ra nhanh nhất Những

Protozoa này là: Epistylis và Vorticella

Mặc dù hệ thống bùn hoạt tính được dùng cho quá trình nitrate hóa, nhưng hệ thống này không phải là lý tưởng cho quá trình nitrate hóa Vì kích thước quần thể lớn và sự tăng trưởng nhanh chóng của các sinh vật khác trong bể aerotank so sánh với kích thước quần thể nhỏ và sự tăng trưởng chậm của những vi khuẩn nitrate hóa, kích thước quần thể của những vi khuẩn nitrate hóa được làm giảm đi từ từ, tạo ra khó khăn để đạt được và duy trì quá trình nitrate hóa mong muốn Khoảng chừng 90% đến 97% vi khuẩn trong hệ thống bùn hoạt tính là những sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ, còn khoảng chừng 3% đến 10% là vi khuẩn nitrate hóa

1.3.2 Những vi khuẩn oxi hóa nitơ hay vi khuẩn nitrate hóa (Nitrifying Bacteria)

Vi khuẩn nitrate hóa sống rất đa dạng trong môi trường sống của chúng ta bao gồm: nước ngọt, nước có thể uống được, nước thải, nước biển, nước lợ và trong đất

Mặc dù một vài giống vi khuẩn nitrate hóa có khả năng sử dụng một vài hợp chất hữu cơ để thu carbon, giống chủ yếu của những vi khuẩn nitrate hóa trong hệ

thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính), Nitrosomonas và Nitrobacter, sử

dụng CO2 hay carbon vô cơ như là nguồn carbon cho sự tổng hợp nguyên liệu tế bào Mỗi phân tử CO2 đồng hóa thành nguyên liệu tế bào bởi những vi khuẩn nitrate hóa, khoảng chừng 30 phân tử của NH4+ hay 100 phân tử của NO2- có thể được oxi hóa

Vì lượng NH4+ và NO2- rất lớn cần để đồng hóa CO2, vi khuẩn nitrate hóa có tốc độ sinh sản rất chậm Thậm chí dưới những điều kiện tốt nhất thì tốc độ sinh sản của vi khuẩn nitrate hóa là rất nhỏ

Vi khuẩn nitrate hóa thu được năng lượng bởi quá trình oxi hóa những cơ chất

vô cơ, cụ thể là NH4+ và NO2- Ion NO2- là sản phẩm của sự oxi hóa NH4+ bởi

Nitrosomonas cung cấp như là cơ chất cho Nitrobacter Nếu NO2- không được thải

ra khỏi hệ thống bùn hoạt tính thì NO2- có thể được sản sinh ra trong bể aerotank để

mà Nitrobacter dùng làm cơ chất năng lượng

Có 2 phản ứng sinh năng lượng xảy ra trong suốt quá trình nitrate hóa Nhiều năng lượng được lấy từ dạng phản ứng đầu tiên, tức là, sự oxi hóa NH4+, hơn là phản ứng thứ 2, tức là sự oxi hóa NO2-

NH4+ 1.5O2–Nitrosomonas  NO2- 2H+ H2O Năng lượng

NO2- 0.5O2–Nitrobacter NO3- Năng lượng

Phản ứng sinh năng lượng xảy ra trong những tế bào vi khuẩn và cả 2 phản ứng này đều sử dụng oxi phân tử tự do Từ đó sự tích lũy NO2- không xuất hiện Toàn bộ phản ứng nitrate hóa được điều khiển bằng sự oxi hóa NH4+ sang NO3- Toàn bộ phản ứng nitrate hóa là một sự kết hợp của 2 phản ứng sinh năng lượng trên:

NH4+ 2O2–Vi khuẩn Nitrate hóa  NO3- 2H+ H2O

Mặc dù NH4+ được dùng như một nguồn năng lượng bởi những vi khuẩn nitrate hóa, không phải tất cả NH4+ có trong tế bào vi khuẩn đều được nitrate hóa Một vài ion NH4+ được dùng như là nguồn dinh dưỡng nitơ và được đồng hóa thành nguyên liệu tế bào mới (C5H7O2N) Sự tăng trưởng của những tế bào mới trong hệ thống bùn hoạt tính được tạo thành do sự tăng lên của những chất rắn lơ lửng huyền phù trộn lẫn trong nước (MLVSS) (Mixed liquor volatile suspended solids)

4CO2 HCO3- NH4+ 4H2O  C5H7O2N 5O2 3H2O

Có vài giống vi khuẩn nitrate hóa Các giống có thể được tập hợp lại thành nhóm với nhau dựa vào oxi hóa NH4+ hay NO2-

Những vi khuẩn nitrate hóa Nitrosomonas và Nitrobacter có ở mức độ lớn,

nếu không hoàn toàn, là nguyên nhân của quá trình nitrate hóa trong đất Bởi vì những vi khuẩn nitrate hóa bị tiêu diệt bởi ánh sáng tử ngoại, chúng không được tìm thấy lượng lớn trên bề mặt của đất Tuy nhiên, chúng được tìm thấy với số lượng lớn trực tiếp bên dưới bề mặt của đất nơi ánh sáng cực tím không thể lọt vào được

Trong hệ thống xử lý nước thải, 2 loài vi khuẩn nitrate hóa chịu trách nhiệm chính cho sự oxi hóa NH4+ và NO2- là Nitrosomonas europeae và Nitrobacter

Cơ chất năng lượng

(Energy Substrate)

Sản phẩm oxi hóa (Oxidized Product)

Các giống vi khuẩn nitrate hóa (Genera of Nitrifying Bacteria)

NH4+ NO2- Nitrosococcus

Nitrosocystis Nitrosolobus Nitrosomonas Nitrosospira

NO2- NO3- Nitrobacter

Nitrococcus

Nitrospira

winogradsky Những giống vi khuẩn nitrate hóa khác cũng quan trọng không kém

trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính)

Nitrosomonas và Nitrobacter là những vi khuẩn gram âm và hiếu khí bắt

buộc, chúng yêu cầu oxi phân tử tự do hay oxi hòa tan nhằm để oxi hóa cơ chất Mặc dù những vi khuẩn nitrate hóa có thể sinh trưởng phát triển và sinh sản trong

sự hiện diện của phần lớn những hợp chất hữu cơ, một vài dạng hợp chất hữu cơ có thể ức chế hoạt động của chúng, tức là, ức chế quá trình nitrate hóa Những hợp chất ức chế đó bao gồm: Cồn và Acid Một vài hợp chất hữu cơ có chứa nhóm amino (-NH2), như là Methylamine (CH2NH2), cũng ức chế hoạt động của vi khuẩn nitrate hóa

Với vài ngoại lệ, những vi khuẩn nitrate hóa là những sinh vật tự dưỡng bắt buộc (nghiêm ngặt) Bởi vì chúng là những vi sinh vật tự dưỡng bắt buộc, vài dạng hợp chất hữu cơ đơn giản còn lại trong bể aerotank có thể ức chế vi khuẩn nitrate hóa, tức là, ức chế quá trình nitrate hóa Vì vậy một quần thể sinh vật tự dưỡng hóa năng hữu cơ lớn và đa dạng hiện diện trong bể aerotank để mà oxi hóa những hợp chất hữu cơ có dạng đơn giản ấy

Vi khuẩn nitrate hóa có thể tăng trưởng và sinh sản bằng những tế bào riêng biệt hay khối tập hợp nhỏ dính chặt vào nhau trong chất nhờn Trong hệ thống bùn hoạt tính, những vi khuẩn nitrate hóa được tìm thấy hút bám trên bề mặt của những hạt keo và lơ lửng trong bể

Những vi khuẩn nitrate hóa sinh sản vô tính Nitrosomonas: sinh sản bằng sự

tự phân đôi hay sự phân cắt hoàn toàn thành hai phần; trong khi đó, Nitrobacter:

sinh sản bằng cách nảy chồi

Vì những vi khuẩn nitrate hóa thu được một lượng rất nhỏ năng lượng từ sự oxi hóa NH4+ và NO2-, sự sinh sản hay thời gian thế hệ là chậm và quần thể nhỏ Kích thước quần thể vi khuẩn nitrate hóa trong hệ thống bùn hoạt tính là rất nhỏ khi mà so sánh với kích thước quần thể của các sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ

Sự khác nhau trong kích thước quần thể giữa vi khuẩn nitrate hóa và những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ là do 2 lý do Thứ nhất, trong hầu hết hệ thống bùn hoạt tính thành phố và công nghiệp, nồng độ của chất thải có bản chất carbon vượt quá giới hạn nồng độ của những chất thải có bản chất nitơ Vì vậy nhiều cơ chất có giá trị để tăng trưởng nhiều vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ Thứ hai, những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ thu được nhiều năng lượng từ sự sinh sản hơn những vi khuẩn nitrate hóa khi chúng oxi hóa những cơ chất tương ứng của chúng Vì vậy những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ có thể sinh sản nhanh hơn nhiều những vi khuẩn nitrate hóa có thể sinh sản

So sánh thời gian thế hệ của những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ với vi khuẩn nitrate hóa thì vi khuẩn nitrate hóa dài hơn nhiều Thời gian thế hệ của hầu hết những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ trong hệ thống bùn hoạt tính là 15 đến 30 phút Dưới những điều kiện thuận lợi,thời gian thế hệ của những vi khuẩn nitrate hóa trong hệ thống bùn hoạt tính là 48 đến 72 giờ

Trong quần thể vi khuẩn nitrate hóa cũng có một kích thước quần thể khác

biệt giữa Nitrosomonas và Nitrobacter Kích thước quần thể Nitrosomonas là lớn hơn Nitrobacter Bởi vì Nitrosomonas thu được nhiều năng lượng từ sự oxi hóa

NH4+ hơn Nitrobacter thu được từ sự oxi hóa NO2-, Nitrosomonas có thời gian thế

hệ ngắn hơn và có thể tăng nhanh chóng về số lượng khi so sánh với Nitrobacter Một kích thước quần thể lớn của Nitrosomonas hơn Nitrobacter trong hệ thống bùn

hoạt tính đáp ứng cho khả năng oxi hóa NH4+ nhiều hơn khả năng oxi hóa NO2-

Sự khác nhau trong thời gian thế hệ giữa Nitrosomonas và Nitrobacter ảnh

hưởng trực tiếp đến quá trình nitrate hóa Sự khác nhau ấy là nguyên nhân gây nên

sự tích lũy NO2- trong suốt thời gian những điều kiện hoạt động không thuận lợi trong hệ thống bao gồm: nhiệt độ lạnh, quá trình rửa trôi cơ học, mức oxi hòa tan thấp, độc chất…

Mặc dù kích thước quần thể cơ bản của vi khuẩn nitrate hóa phụ thuộc vào lượng cơ chất sẵn có (NH4+ và NO2-), sự tăng trưởng và sinh sản của quần thể bị ảnh hưởng mạnh bởi vài yếu tố hoạt động bao gồm: oxi hòa tan, tính kiềm và pH,

nhiệt độ, chất ức chế, chất độc và phương thức hoạt động của cả hệ thống xử lý nước thải

1.4 Những sinh vật chỉ thị hay những chất chỉ thị cho quá trình Nitrate hóa (Indicators of Nitrification):

Hệ thống bùn hoạt tính (của một hệ thống xử lý nước thải) oxi hóa nitơ nếu

NO2- và NO3- được sinh ra trong bể aerotank Dù có nhiều cơ chế khác nhau của sự mất đi và sinh ra NH4+ trong bể aerotank, do đó, một mình sự giảm nồng độ của

NH4+ trong bể aerotank không biểu lộ quá trình nitrate hóa Quá trình nitrate hóa được chứng minh bằng sự sản sinh ra NO2- hay NO3- Tuy nhiên, nếu sự kiểm tra

NO2- hay NO3- trong hệ thống không được thực hiện, thì quá trình nitrate hóa có thể được nghi ngờ bởi sự hiện diện của sinh vật chỉ thị sinh học, chất chỉ thị hóa học và những sinh vật báo hiệu tự nhiên khác

Những sinh vật chỉ thị sinh học của quá trình nitrate hóa bao gồm: sự tăng trưởng của Tảo và Bèo tấm trong bể lắng 2, sự tăng lên có ý nghĩa của nhu cầu oxi pha trộn trong nước và sự giảm đi có ý nghĩa của mức oxi hòa tan trong hệ thống Tảo và Bèo tấm thu được chất dinh dưỡng nitơ từ NO3- Vì vậy sự hiện diện của chúng trong bể lắng 2 là một sự chỉ thị của sự sản sinh ra NO3- hay quá trình nitrate hóa trong bể aerotank

Bèo tấm: là những thực vật có hoa bé nhỏ nhất và đơn giản nhất Bèo tấm sinh

sôi nảy nở nhanh chóng và nổi trên mặt nước Có 3 giống Bèo tấm chúng được tìm thấy trong hệ thống bùn hoạt tính của hệ thống xử lý nước thải Những giống này

là: Lemna, Spirodella, và Wolffia

Khi mà quá trình nitrate hóa xảy ra trong bể aerotank, lượng lớn oxi hòa tan được tiêu thụ bởi những vi khuẩn nitrate hóa do chúng oxi hóa NH4+ và NO2- Vì vậy, khi quá trình nitrate hóa xảy ra, sự đòi hỏi có ý nghĩa của sinh khối về oxi hòa tan xuất hiện và mức độ oxi hòa tan trong bể aerotank giảm đi

Những chất chỉ thị hóa học của quá trình nitrate hóa bao gồm sự tăng lên nhu cầu Cl2 để khử trùng trong phụ lưu bể lắng 2 Nếu quá trình nitrate hóa không hoàn

tất xảy ra, NO2- tích lũy và NO2- phản ứng nhanh chóng với Cl2, đưa đến kết quả là

sự tiêu diệt coliform kém đi trong phụ lưu của bể lắng 2 Sự sản sinh ra NO2- trong

bể aerotank đưa đến kết quả là sự phá hủy tính kiềm Sự phản nitrate hóa trong bể lắng 2 (do kết quả nitrate hóa trong bể aerotank) trả lại tính kiềm cho nước thải Sự trả lại tính kiềm đưa đến sự tăng tính kiềm hay pH

Nếu vài sinh vật chỉ thị sinh học, hóa học hay tự nhiên của quá trình nitrate hóa xảy ra trong hệ thống bùn hoạt tính chúng không được yêu cầu nitrate hóa, khi

đó sự nitrate hóa sẽ bị nghi ngờ Để xác định dạng nitrate hóa đang xảy ra, sự kiểm tra nước trong hệ thống về nồng độ NH4+, NO2- và NO3- sẽ được thực hiện

1.5 Cơ chế hoạt động của vi khuẩn Nitrat hoá

Các loại vi khuẩn hoá năng vô cơ (chemolithotrophic) thường là loại tự dưỡng, đều sử dụng chu trình Calvin để cố định CO2 như nguồn carbon duy nhất

Ở vi khuẩn nitrate hoá được xếp vào loại tự dưỡng sẽ sử dụng năng lượng thu được

từ quá trình oxi hoá ammonia hay nitrite để phục vụ cho việc khử CO2 thành carbonhydrat Khi một phân tử CO2 đi vào chu trình Calvin, nó cần đến 3 phân tử ATP và 2 phân tử NADH Điều khó khăn là năng lượng thu từ quá trình oxi hoá các phân tử vô cơ (nói chung) của vi khuẩn nitrate lại nhỏ hơn rất nhiều so với việc oxi hoá hoàn toàn glucose ở loại vi khuẩn thông thường Tỉ lệ P/O trong quá trình oxi hoá phosphoryl hoá ở vi khuẩn nitrate hoá thường bằng 1, chính vì tỉ lệ quá thấp như vậy nên vi khuẩn nitrate hoá nói riêng và các loại vi khuẩn hoá năng vô

cơ khác nói chung cần oxi hoá một lượng lớn các hợp chất vô cơ để sinh trưởng và sinh sản, điều này nói lên tác động của hệ vi khuẩn này đối với môi trường sống rất sâu sắc

Bảng 1.2 Năng lượng thu được từ quá trình oxi hoá các hợp chất vô cơ so với

glucose (-686kcal/mol)

Ở vi khuẩn nitrate hoá, năng lượng giải phóng từ quá trình oxy hoá ammonia lẫn nitrite được sử dụng để tổng hợp nên ATP hoạt hoá các enzyme, cơ chất, là hợp chất dự trữ năng lượng và NADH (nguồn cung cấp electron trong chuỗi vận chuyển điện tử, cung cấp H+ để khử các hợp chất khác, là hợp chất chứa năng lượng khử) Chính 2 hợp chất quan trọng này, mà vi khuẩn nitrate hoá sử dụng để khử CO2 và các hợp chất khác phục vụ cho quá trình biến dưỡng của tế bào

Quá trình tổng hợp ATP ở vi khuẩn nitrate hoá về nguyên tắc rất giống với hoạt động tổng hợp ATP của ti thể ở các vi sinh vật có nhân thật Con đường chính để tạo ATP là thông qua các hoạt động oxi hoá ammonia và phân ly nước (ở vi khuẩn nitrate hoá) và oxi hoá nitrite, H+ được tạo ra và đẩy vào periplasm (là khoảng không gian giữa màng trong và màng ngoài của tế bào vi khuẩn), từ đó tạo nên gradient H+ làm cho H+ chạy qua phức ATPase vào trong cytoplasm (nguyên sinh

chất) giúp tái tạo ADP thành ATP Con đường phụ (diễn ra ở Nitrobacter sp., trong khi ở Nitrosomonas sp thì không hiện diện) để tạo ATP là thông qua hoạt động

của chất khử NADH và hoạt động của phức vận chuyển điện tử trên màng, giúp tổng hợp ATP

Quá trình tổng hợp NADH thì khó khăn hơn nhiều và hiện chưa được lý giải hoàn toàn, vì nó liên quan đến quá trình vận chuyển electron theo chiều ngược lại (reverse electron transport – RET) Lý do chính vì những phân tử như ammonia, nitrite thì có thể khử cao hơn so với NAD+ nên vi khuẩn nitrate hoá không thể cung cấp electron trực tiếp từ quá trình oxi hoá ammonia và nitrite để tổng hợp nên NADH qua hệ enzyme NADH-oxidoreductase Bởi vì electron chỉ có thể di chuyển

từ chất cho đến chất nhận Để giải quyết khó khăn này, vi khuẩn nitrat hoá đã sử dụng lực đẩy proton để đảo lại chiều di chuyển electron, qua các chất vận chuyển điện tử, nhằm khử NAD+ về NADH

Có thể thấy nếu so sánh với quá trình tạo nên NADH và ATP qua con đường đường phân hay chu trình Krebs ở các vi sinh vật khác, thì quá trình tạo NADH và ATP ở vi khuẩn nitrate hoá tiêu tốn nhiều năng lượng hơn và lượng sản phẩm tạo ra

ít hơn Nhưng vì nguồn cơ chất ammonia, nitrite mà vi khuẩn nitrate hoá sử dụng lại không bị cạnh tranh như các nguồn cơ chất khác (glucose, lipid, protein) nên vi khuẩn nitrate hoá vẫn thích nghi được với con đường biến dưỡng bằng các hợp chất này

Hình 1.2: Hướng di chuyển electron dựa trên thể khử của các chất trong tế bào

1.6 Những yếu tố hay điều kiện môi trường ảnh hưởng đến vi khuẩn nitrate hóa và quá trình nitrate hóa

Sự tích lũy NO2- trong hệ thống bùn hoạt tính có thể là sự cố thay đổi theo mùa

vì sự thay đổi nhiệt độ và nồng độ MLVSS Sự tích lũy NO2- thường xảy ra tại thời điểm cuối mùa đông hay ngay từ đầu mùa xuân trong hệ thống bùn hoạt tính

1.6.2 Oxi hòa tan (DO):

Có nhiều nhu cầu hoạt động được biết ảnh hưởng đến vi khuẩn nitrate hóa hay quá trình nitrate hóa, nồng độ oxi hòa tan là một trong những nhu cầu quan trọng

ấy Tuy nhiên nồng độ DO tối ưu nhất để hoàn thành quá trình nitrate hóa là rất thấp, từ 2 – 3 mg/l và không may, nhiều hệ thống bùn hoạt tính được thông khí vượt qúa để hoàn thành quá trình nitrate hóa

Sự thông khí vượt quá thực tiễn không mang lại lợi nhuận và có thể góp phần làm chia cắt những hạt keo hay làm tăng những bọt khí Để quá trình nitrate hóa có hiệu quả, lượng DO được duy trì trong bể aerotank sẽ được điều chỉnh để phù hợp với nồng độNH4+ trong phụ lưu nước pha trộn, NO2- và NO3- Ngoài ra, để nồng độ

DO trong bể aerotank, xáo trộn đủ phải được duy trì để ngăn cản sự phân tầng của

DO Và DO phải thâm nhập vào lõi của những hạt keo

Bởi vì vi khuẩn nitrate hóa là hiếu khí bắt buộc, chúng chỉ có thể oxi hóa nitơ khi có sự hiện diện của oxi hòa tan Ở nồng độ DO 0.5 mg/l quá trình nitrate hóa không xảy ra Những yếu tố chủ yếu cho giới hạn này về lượng của quá trình nitrate hóa là sự thiếu oxi cho sự khuếch tán qua các hạt keo và sự cạnh tranh về oxi bởi những sinh vật khác

Sự tăng nồng độ oxi cho phép tốt hơn sự thâm nhập DO vào hạt keo và khuyến khích thêm quá trình nitrate hóa Trong khoảng DO từ 0.5 – 1.9mg/l, quá trình nitrate hóa tăng tốc, nhưng nó không có hiệu quả lắm Quá trình nitrate hóa có ý nghĩa được hoàn tất ở nồng độ DO từ 2.0 – 2.9mg/l, trong khi đó quá trình nitrate hóa đạt cao nhất xuất hiện gần với nồng độ DO 3.0mg/l

Bảng1.3: Nồng độ DO và quá trình nitrate hóa đạt được

Nồng độ DO (mgO 2 /l) Quá trình nitrate hóa đạt được

0.5mg/l Ít, một số lượng không xác định,

quá trình nitrate hóa xuất hiện

0.5 – 1.9mg/l Quá trình nitrate hóa xảy ra

nhưng yếu kém

2.0 – 2.9mg/l Quá trình nitrate hóa có ý nghĩa

xảy ra

3.0mg/l Quá trình nitrate hóa đạt tối đa

Bởi vì vi khuẩn nitrate hóa phải giảm bớt CO2 cho tăng trưởng tế bào, sinh sản

và thu được ít năng lượng từ sự oxi hóa NH4+ và NO2- Chúng cạnh tranh kém với những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ về DO trong bể aerotank Vì vậy mức

DO trong bể aerotank sẽ được giám sát một cách cẩn thận và không cho phép xuống dưới 1.5mg/l Dưới giá trị này sự giảm bớt hoạt động nitrate hóa xuất hiện Những vi khuẩn nitrate hóa có thể vẫn còn sống trong sự vắng mặt của DO chỉ trong một khoảng thời gian rất ngắn Sự vắng mặt của DO ít hơn 4 giờ không ảnh hưởng bất lợi đến hoạt động của vi khuẩn nitrate hóa cho đến khi DO được khôi phục Sự vắng mặt DO nhiều hơn 4 giờ ảnh hưởng bất lợi đến hoạt động của vi khuẩn nitrate hóa cho đến khi DO được khôi phục lại Sự vắng mặt DO trong 24 giờ hay nhiều hơn có thể phá hủy quần thể vi khuẩn nitrate

1.6.3 Tính kiềm và pH:

Nồng độ ion H+ hay pH của môi trường sống của sinh vật có ảnh hưởng tác động rất lớn đến bên trong sinh vật Quá trình nitrate hóa bắt đầu rất chậm ở pH thấp và nó có thể xảy ra trong hầu hết môi trường; quá trình nitrate hóa xảy ra ở pH dưới 5.0 không phải do vi khuẩn nitrate hóa thực hiện mà do những sinh vật dị

dưỡng hóa năng hữu cơ thực hiện, bao gồm cả nấm Ở giá trị pH trung tính thì vi khuẩn nitrate hóa có ưu thế hơn Và ở giá trị pH kiềm thì quá trình nitrate hóa chủ yếu là do vi khuẩn nitrate hóa thực hiện

Bảng 1.4: pH và quá trình nitrate hóa

pH thấp trong nước thải có một ảnh hưởng đầu tiên đến vi khuẩn nitrate hóa bởi sự ức chế hoạt động của enzyme và ảnh hưởng thứ 2 là đến tính kiềm Quá trình nitrate hóa trong hệ thống bùn hoạt tính bắt đầu tăng tốc khi pH 6.7 Khoảng pH tối ưu cho quá trình nitrate hóa là 7.2 đến 8.0 Ở khoảng pH từ 7.2 đến 8.0 thì tốc độ của quá trình nitrate hóa được thừa nhận là không thay đổi Và nhiều

hệ thống bùn hoạt tính oxi hóa nitơ ở pH gần trung tính Ở pH cao hơn sẽ tác động bất lợi đến các sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ làm nhiệm vụ phân hủy cBOD May thay những vi khuẩn nitrate hóa thích nghi với môi trường chậm hơn khi ở pH thấp hơn tối ưu Tuy nhiên, sự thích nghi với môi trường này có thể yêu cầu sự tăng dần dần hay giảm dần dần của pH

pH Tác động đến quá trình nitrate hóa

4.0 – 4.9 Sự hiện diện của vi khuẩn nitrate hóa; nitrate hóa của

những sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ xảy ra

5.0 – 6.7 Quá trình nitrate hóa bởi những vi khuẩn nitrate hóa;

tốc độ nitrate hóa chậm chạp

6.7 – 7.2 Quá trình nitrate hóa bởi những vi khuẩn nitrate hóa;

tốc độ nitrate hóa tăng lên

7.2 – 8.0 Quá trình nitrate hóa bởi những vi khuẩn nitrate hóa;

tốc độ nitrate hóa được xem là hằng số

7.5 – 8.5 Quá trình nitrate hóa bởi những vi khuẩn nitrate hóa

1.6.4 Nhiệt độ (Temperature):

Trong tất cả các yếu tố hoạt động ảnh hưởng đến quá trình nitrate hóa, nhiệt độ

có sự ảnh hưởng ý nghĩa trên hết trong sự tăng trưởng của vi khuẩn nitrate hóa và

do đó, ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình nitrate hóa Tốc độ của quá trình nitrate hóa giảm theo sự giảm của nhiệt độ và ngược lại, tăng theo sự tăng của nhiệt độ và nhất là trong khoảng từ 8 đến 30oC Nitrosomonas tăng gần 10% tốc độ tăng

trưởng khi nhiệt độ tăng 1oC Dưới 10oC tốc độ quá trình nitrate hóa hạ xuống đột ngột Trên 10oC thì tốc độ quá trình nitrate hóa hầu như tương ứng về nhiệt độ

Nitrosomonas được phân lập từ hệ thống bùn hoạt tính có tốc độ tăng trưởng tối ưu

ở 30oC Vì vậy, những mục đích của hoạt động, nhiệt độ tối ưu cho quá trình nitrate hóa trong hệ thống bùn hoạt tính được tính toán phổ biến là ở 30oC Không

có sự tăng trưởng của Nitrosomonas hay Nitrobacter xảy ra dưới 4oC

Bảng 1.5: Nhiệt độ và quá trình Nitrate hóa

Nhiệt độ (toC) Sự ảnh hưởng đến quá trình nitrate hóa

45 o C Quá trình nitrate hóa dừng lại

28 – 32 o C Khoảng nhiệt độ tối ưu

16 o C Tốc độ quá trình nitrate hóa khoảng chừng

50% so với khi ở 30 o C

10 o C Sự giảm bớt có ý nghĩa về tốc độ, khoảng

chừng 20% về tốc độ so với khi ở 30 o C

5 o C Quá trình nitrate dừng lại

Tác động ức chế của nhiệt độ lạnh là rất lớn đến Nitrobacter hơn Nitrosomonas

Vì vậy mà không kỳ lạ khi NO2- tích lũy lại trong thời gian nhiệt độ lạnh vào mùa đông

1.6.5 Sự ức chế và độc tính (Inhibition and Toxicity):

Có vài dạng sự ức chế và độc tính có thể xảy ra trong thời gian quá trình nitrate hóa Sự ức chế là sự mất đi tạm thời của hoạt động enzyme Độc tính là sự mất đi lâu dài của hoạt động enzyme hay hư hại không thể thay đổi được của cấu trúc tế bào

Tất cả vi khuẩn nitrate hóa có thể khắc phục sự ức chế bằng sự sửa chữa những hệ thống enzyme đã bị hỏng Vì vi khuẩn nitrate hóa chỉ thu được một lượng rất nhỏ năng lượng từ sự oxi hóa NH4+ và NO2-, và không may, năng lượng

đủ thường không có sẵn cho duy trì sự thích nghi với khí hậu Vì vậy, với sự tăng lên dù là rất ít của những chất gây ức chế cũng có thể gây ra những sự thay đổi đáng chú ý trong sự tăng trưởng của vi khuẩn nitrate hóa

Với lượng năng lượng rất ít có sẵn để thích nghi với khí hậu, vi khuẩn nitrate hóa dễ bị tổn thương với nồng độ rất thấp của những chất thải vô cơ và những chất thải hữu cơ Những chất thải có độc tính cao với vi khuẩn nitrate hóa bao gồm: cyanide, những hợp chất halogenated, những kim loại nặng, hydantoin, mercaptans, phenols và thiourea

Vi khuẩn nitrate hóa còn bị ức chế bởi nồng độ rất thấp của NH3 tự do và nitrous acid tự do NH3 tự do được sinh ra từ NH4+ dưới pH cao trong bể aerotank Còn acid nitrous tự do được sinh ra từ NO2- dưới pH thấp trong bể aerotank Sự ức chế hay độc tính từ NH3 tự do và acid nitrous tự do được biết đến như là sự ức chế bởi cơ chất ban đầu gây ra

Với sự tăng lên của pH, những ion NH4+ dễ dàng chuyển đổi thành NH3 tự do:

NH4+ OH- NH3 H2O

NH3 tự đo ức chế Nitrosomonas và Nitrobacter NH3 tự do có thể ức chế

Nitrosomonas ở nồng độ bằng với 10mg/l NH3 tự do có thể ức chế Nitrobacter ở

những nồng độ bằng với 0.1mg/l

Với sự giảm pH, ion NO2- dễ dàng chuyển đổi nhiều hơn thành acid nitrous tự do:

NO2- H+ ↔ NHO2

Acid nitrous tự do ức chế Nitrosomonas và Nitrobacter ở nồng độ rất thấp Cả

2 giống vi khuẩn có thể bị ức chế bởi acid nitrous tự do ở nồng độ bằng với 1.0mg/l Sự ức chế cơ chất trong hệ thống bùn hoạt tính thường xảy ra ở nồng độ

từ 400 đến 500mg/l NH4+, hay khi NH4+ được biến đổi thành NO2- ở tốc độ cao hơn NO2- được biến đổi thành NO3- Vì vậy sự quá dư thừa NH4+ chảy ra hay sự khử nhóm NH2 của những hợp chất nitơ hữu cơ có thể ức chế quá trình nitrate hóa Ngoài những vi khuẩn có khả năng quang hợp ra, sự bức xạ cực tím gây tổn hại đến hầu hết các loại vi khuẩn, bao gồm cả vi khuẩn nitrate hóa Hầu hết những bước sóng gây hại là 265nm Có thể do bức xạ tia cực tím là nguyên nhân gây ra sự ngưng hoạt động của hệ thống enzyme, đặc biệt là những tế bào còn non hay những tế bào đang tăng trưởng nhanh chóng

Vô cơ Những kim loại nặng và cyanide

Hữu cơ Những chất thải công nghiệp,

1.7 Giới thiệu về vi khuẩn oxi hoá ammonia

Winograsky là người đặt nền tảng nghiên cứu về các loại vi khuẩn oxi hoá ammonia vào năm 1892 Tuy vậy, việc phân lập và nghiên cứu sâu hơn về các loại

vi khuẩn này đã không được tiếp nối trong một thời gian dài, người ta chỉ biết đến

chủng Nitrosomonas europaea Bắt đầu từ năm 1960, Waston và cộng sự đã mở ra

một kỉ nguyên mới trong việc phân lập và nuôi cấy loại vi khuẩn này, họ đã phát hiện và đặt tên cho hơn 16 chủng vi khuẩn oxi hoá ammonia khác nhau Từ đó đến nay, kiến thức về loại vi khuẩn này liên tục được cập nhật, người ta đã dùng kĩ thuật PCR để xác định đoạn gen amoA (mã hoá cho trung tâm hoạt động của enzyme chìa khoá trong quá trình oxi hoá ammonia là ammonia monooxygenase-AOB) và phương pháp phát hiện trực tiếp vi khuẩn này bằng kỹ thuật FISH (fluorescence in situ hybridiza-tion) Với các thành tựu này, việc kiểm soát các loài

vi khuẩn oxi hoá ammonia trong thực tế trở nên dễ dàng hơn rất nhiều

1.7.1 Đặc điểm về giống

Việc phân loại vi khuẩn này về cơ bản dựa vào hình dáng của tế bào, sau đó là

sự sắp xếp của màng bao tế bào chất (intracytoplasmic membrane) Với các tiêu chí này, người ta đã phân loại vi khuẩn nitrat hoá thành 5 giống chính là:

Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus và Nitrosovibrio Trong

đó, hiện có 16 loài vi khuẩn đã được phân biệt dựa vào hoạt động của carboxysome, hoạt tính urease, tốc độ chuyển hoá NH3, nồng độ tới hạn ammonia trong môi trường, yêu cầu về độ mặn và nồng độ muối tới hạn

Bảng 1.7 : Các đặc điểm phân loại giống của vi khuẩn Nitrat hoá

1.7.2 Đặc điểm sinh lý, sinh hoá của các giống vi khuẩn oxi hoá ammonia

1.7.2.1 Giống Nitrosomonas sp (Winogradsky, 1982): tế bào về cơ bản là hình que,

màng bao tế bào chất có các lỗ nằm rải rác, đôi khi lớp màng này gấp cuộn vào bên trong tế bào chất Không di động hoặc có một tiên mao ở cực, thường đứng riêng

lẻ, theo cặp, chuỗi ngắn, tạo thành những đám tế bào phân bố không đều Oxi hoá ammonia thành nitrit nhanh nhất trong các loài vi khuẩn thuộc cùng họ

+ Nitrosomonas europaea: dạng hình que, khuẩn lạc nhỏ, đặc, dễ nhận thấy, có

màu hơi nâu trên silica gel Phát triển dễ dàng ở môi trường lỏng không có chất hữu cơ Môi trường sống phải chứa ammonium sulfate, potassium phosphate và magnesium carbonate Tế bào tích luỹ thành những lớp sinh khối mỏng xung quanh những hạt magnesium carbonate ở dưới đáy erlen Dịch tế bào đôi khi bị đục

do sự phát triển bởi sự di động của đám tế bào đứng cụm hoặc riêng lẻ Sống hiếu khí, sống tự dưỡng nghiêm ngặt

+ Nitrosomonas monocella: Dạng que ovan, 0.6-0.9μm, khi tế bào còn nhỏ có dạng

hình cầu Thường đứng theo cặp, di động nhờ tiên mao ở cực có chiều dài từ 3-5

Đặc điểm Nitrosococcus Nitrosolobus Nitrosomonas Nitrosospira  Nitrosovibrio

Hình dạng  Dạng tròn đến

ellipse 

Dạng thuỳ

đa hình 

Dạng quethẳng 

Cuộn xoắn  

ốc 

Dạng quemảnh, hơi cong Kích thước 

(μm) 

1,5-1,8x1,7-2,5

1,0-1,5x1,0-2,5 

2,4 

0,7-1,5x1,0-0,3-0,8x1,0- 8,0 

3,0Kiểu tiên  

0,3-0,4x1,1-mao 

Mọc thành  chùm 

Mọc rải rác Mọc ở cực Mọc rải rác  Mọc ở cực

Cấu trúc  

màng 

Có lỗ xuất hiệnthành cụm 

Chia thànhnhiều ngăn

Có lỗ xuấthiện rải rác 

Gấp cuộn  vào bên trong 

Gấp cuộn vàobên trong 

sự bắt đầu sinh trưởng của vi khuẩn Dịch chiết từ thực vật gây độc cho vi khuẩn Khí CO2 và O2 cần thiết cho sư sinh trưởng Sống hiếu khí, sống tự dưỡng nghiêm ngặt Phân bố ở trong đất trồng trọt

1.7.2.2 Giống Nitrosococcus sp: tế bào có hình cầu lớn, không di động, không tạo

thành đám khuẩn lạc nhầy (zoogloea)

+ Nitrosococcus nitrosus: hình cầu lớn, kích thước 1.5-1.7μm với lớp màng mỏng

ở ngoài, khả năng di động chưa được chứng minh, gram dương Trên silica gel thì

có cả khuẩn lạc tối và khuẩn lạc sáng, bề mặt khuẩn lạc trong giống như một giọt dịch vàng nhạt, hơi đục Phát triển làm đục môi trường lỏng, song hiếu khí, nhiệt

độ tối ưu trong khoảng 20-25oC, phân bố ở trong đất

Hình 1.5: Cấu trúc tế bào thuộc giống Nitrosococcus

1.7.2.3 Giống Nitrosospira sp: tế bào có dạng xoắn ốc, oxi hoá ammonia thành

nitrit rất chậm

+Nitrosospira briensis: tế bào cuộn xoắn rất chặt tạo thành những ống dài đến

15-20μm Những vòng xoắn nhỏ hơn được tạo từ các tế bào có hình que ngắn hoặc elip Một số tế bào dạng cầu nhỏ được quan sát thấy ở những dịch nuôi cấy lâu ngày Khuẩn lạc trên silica gel nhỏ, thỉnh thoảng những tế bào kết lại thành dạng u nhỏ nhưng những hạt này phát triển kém hơn so với những hạt khuẩn lạc ở giống

Nitrosocystis Sống hiếu khí, pH thích hợp từ 7-7.2, phân bố ở trong đất

+ Nitrososipira Antarctica: tế bào và khuẩn lạc trông rất giống dòng Nitrosospira

briensis ngoại trừ tế bào về tổng thể thì cuộn lại với nhau tạo những vòng xoắn

chặt hơn

Hình 1.6: Cấu trúc tế bào thuộc giống Nitrosospira 

 

1.7.2.4 Giống Nitrosocystis sp.: tế bào hình elip hoặc dạng dài, kết hợp khá chặt,

liên kết thành từng đám bởi một lớp màng tạo thành các khối u nhỏ Những khối u này khi tan ra sẽ giải phóng tế bào tự do, đặc biệt khi chuyển sang môi trường mới Các tế bào bên trong khối u này gắn với nhau bởi chất nhầy Khả năng oxi hoá

ammonia thành nitrit thì thấp hơn Nitrosomonas sp nhưng cao hơn Nitrosospira +Nitrosocystis javanensis: có dạng elip nhỏ, có đường kính 0.5-0.6μm, có tiên mao

ở cực, có chiều dài gấp 20 lần tế bào Trên silica gel thì khuẩn lạc có dạng tròn đến elip, trở nên nhạt hoặc có màu nâu nhạt Trong dịch lỏng, sinh khối tạo thành những đám tế bào rất đặc (giống hạt bùn nhỏ) Sống hiếu khí, tự dưỡng nghiêm

ngặt Phân bố trong đất

+Nitrosocystis coccoides: tế bào hình elip có đường kính 1.5μm, tế bào liên kết rất

chặt chẽ với nhau tạo thành những đám dịch nhầy Tế bào ít khi đứng riêng lẻ mà thường đứng thành cặp và những nhóm nhỏ từ 4 tế bào trở lên Có khả năng di động Khuẩn lạc trên silica gel phát triển thì làm lớp áo CaCO3 bên ngoài có màu vàng nhạt và hoà tan, khuẩn lạc xuất hiện phình ra và cứng chắc, tạo thành những hạt nhỏ màu nâu có đường kính 0.5mm Tế bào phát triển chặt với nhau tạo thành

những quần thể phồng ra không đều Sống hiếu khí, xuất hiện trong đất rừng, phân bón

1.7.2.5 Giống Nitrosogloea sp.: tế bào dạng elip hoặc dạng que Gắn với nhau bởi

lớp nhầy tạo thành đám khuẩn lạc nhầy Không có màng bao xung quanh những đám khuẩn lạc này

+ Nitrosogloea merismoides: tế bào elip từ 0.5-1.5μm Hình ovan hay que ngắn tạo

thành chuỗi, mỗi nhóm có màng bao riêng Các nhóm này rất khác nhau về mức độ phân nhánh của chuỗi, là tập hợp tế bào khá chặt và không theo quy luật Tế bào trên silica gel thì bao bọc bởi lớp nhầy màu vàng làm cho khuẩn lạc có dạng đục không rõ Khuẩn lạc trên bề mặt thạch rải rác tạo thành những hạt u nhỏ Sống hiếu khí, phân bố ở bùn hoạt tính

+ Nitrosogloea schizobacteroldes: dạng que dài hoặc sợi nhỏ, dài từ 3- 4μm

Khuẩn lạc trên silica gel thì tạo thành nhóm tế bào bằng phẳng được liên kết bởi lớp màng mỏng Tập hợp này hình thành những miếng cơ giả, do sự đan xen của những sợi nhỏ giống như miếng đệm của sợi nấm Miếng đệm này có thể lấy ra như một phần tử khỏi môi trường Sống hiếu khí

+ Nitrosogloea membranacea: tế bào dạng elip thường xuất hiện thành cặp hoặc

đứng riêng lẻ Khuẩn lạc trên silica gel tạo thành những hạt nhầy có màu vàng rơm Sống hiếu khí, phân bố trong bùn hoạt tính

1.7.3 Những loài vi khuẩn Nitrosomonas sp tiêu biểu:

1.7.3.1 Nitrosomonas europaea

Vi khuẩn này được đặt tên là europaea vì được phân lập lần đầu tiên ở châu

Âu (1892), có dạng hình que, hai cực tế bào có dạng hình tròn, kích thước từ 1,1 x 1,0-1,7 μm, về cơ bản thì tồn tại từng tế bào riêng lẽ, Gram âm Khả năng di động thì chưa được ghi nhận Carboxysome cũng không có trong tế bào chất Không có hoạt tính urease Ở pH khoảng 7,8 thì tế bào chịu được nồng độ muối ammonium lên đến 400 mM Hằng số Ks oxi hoá NH3 nằm trong khoảng 30-56

0,8-μM Tuy không đòi hỏi phải có muối trong môi trường, nhưng tế bào có thể chịu

1.7.3.2 Nitrosomonas eutropha

Vi khuẩn này có tên eutropha có nghĩa là sống ở nơi có hàm lượng dinh dưỡng cao, có nhiều hình dạng từ hình que đến hình trái lê, kích thước 1,0-1,3 x 1,6-2,3 μm, thỉnh thoảng kết thành chuỗi ngắn Cấu trúc thành tế bào Gram âm Hầu hết các dòng đều có thể di động được Carboxysome nằm trong tế bào chất Tế bào không có hoạt tính urease Ở pH 7,8 thì khả năng chịu nồng độ muối ammonium lên đến 600 mM và hằng số Ks oxi hoá NH3 là 35-36 μM Không đòi hỏi phải có muối trong môi trường, nhưng tế bào vẫn sống được khi nồng độ NaCl lên đến 500 mM Rất thường thấy ở số lượng nhiều trong các cống rãnh, nguồn nước phú dưỡng và thỉnh thoảng ở trong đất

Hình 1.9: Quan sát tế bào Nitrosomonas eutropha dưới kính hiển vi điện tử Bar

400 mM, tế bào có thể chịu đến nồng độ 800 mM Ngoài ra, tế bào có thể chịu

1.7.3.4 Nitrosomonas mobilis

Vi khuẩn có tên mobilis nghĩa là di động được Về cơ bản, tế bào có dạng hình cầu, đường kính từ 1,5 đến 1,7 μm Tuy nhiên, một số dòng có dạng hình que, kích thước 1,5-1,7 x 1,7-2,5 μm Tế bào thường ở dạng đơn hoặc cặp đôi, thỉnh thoảng kết thành chuỗi ngắn Cấu trúc thành tế bào Gram âm Tế bào di động nhờ một bó sợi gồm từ 1 đến 22 tiên mao, có chiều ngang khoảng 12 nm và chiều dài 3-

5 μm Không có carboxysome trong tế bào chất Tế bào sống ở nơi có độ mặn vừa, với nồng độ NaCl tối ưu khoảng 100 mM, tuy nhiên khi tăng nồng độ lên đến 600

mM thì tế bào vẫn sống được Ở pH 7,8 thì tế bào chịu được nồng độ các hợp chất ammonium đến 300 mM Hoạt tính urease âm tính Dòng vi khuẩn này được phân lập ở khu vực nước lợ và các hệ thống xử lý nước thải

Hình 1.12: Cấu trúc tế bào Nitrosomonas mobilis dưới kính hiển vi điện tử quét.

Bar = 1μm