Bài giảng Vi sinh môi trường cung cấp cho người học những kiến thức như: Hình thái, cấu tạo của Vi sinh vật; Các quá trình sinh lý của Vi sinh vật; Phân giải, chuyển hóa vật chất và các chu trình sinh địa hóa; Vi sinh vật trong môi trường nước, đất và khí; Công nghệ Vi sinh vật trong xử lý nước thải; Công nghệ Vi sinh vật trong xử lý rác thải;...
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Trương Thị Thu Hương, Nguyễn Hồng Mỹ, Lê Hồng Thía, Nguyễn Thị Hàng, Nguyễn Khánh Hoàng BÀI GIẢNG VI SINH MƠI TRƯỜNG Trình độ: Đại học Ngành: Kỹ thuật mơi trường, Quản lý môi trường Tài nguyên môi trường, Khoa học môi trường Môn: Vi sinh môi trường Thời lượng lý thuyết: 45 tiết Thực hành: 60 tiết TP HỒ CHÍ MINH – 2016 LƯU HÀNH NỘI BỘ i Lời nói đầu Vi sinh vật đóng vai trị vơ quan trọng thiên nhiên sống người Vi sinh vật có vai trị quan trọng trình tham gia vào tất vịng tuần hồn vật chất tự nhiên, mắt xích quan trọng chuỗi thức ăn hệ sinh thái Vi sinh vật cịn đóng vai trị định q trình tự làm mơi trường tự nhiên Trong thiên nhiên ngồi nhóm vi sinh vật có ích trên, cịn có nhóm vi sinh vật gây hại Ví dụ nhóm vi sinh vật gây bệnh cho người, động vật thực vật, nhóm vi sinh vật gây nhiễm thực phẩm, nhiễm nguồn nước, đất khơng khí Sinh viên cần nắm vững sở khoa học tất q trình có lợi hay có hại vi sinh vật từ đưa biện pháp khoa học để phát huy mặt có lợi hạn chế mặt gây hại vi sinh vật, đặc biệt bảo vệ môi trường Tập giảng “Vi sinh môi trường” thể đầy đủ kiến thức bổ ích thơng tin thiết thực phù hợp với đề cương chi tiết môn học giúp sinh viên nắm bắt nội dung môn học Chúng xin chân thành cám ơn cộng tác thành viên tham gia hoàn thiện tập giảng Nhóm tác giả ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH XI PHẦN A LÝ THUYẾT Chương 1: Hình thái, cấu tạo Vi sinh vật 1.1 Lịch sử phát triển vi sinh vật học 1.2 Đặc điểm chung vi sinh vật sinh giới 1.2.1 Đặc điểm chung vi sinh vật 1.3 Vi sinh vật nhân sơ - PROKARYOTE 1.3.1 Định nghĩa 1.3.2 Vi khuẩn 1.3.2.1 Định nghĩa vai trò vi khuẩn 1.3.2.2 Đặc điểm sinh sản 1.3.2.3 Đặc điểm trao đổi chất 10 1.3.2.4 Khả di động 11 1.3.2.5 Phân loại hình thái 12 1.3.2.6 Cấu tạo tế bào vi khuẩn 16 1.3.3 Hình thái, cấu tạo tế bào Xạ khuẩn 27 1.3.3.1 Định nghĩa vai trò Xạ khuẩn 27 1.3.3.2 Cấu tạo xạ khuẩn 27 1.3.4 Hình thái, cấu tạo vi khuẩn lam 29 1.3.4.1 Định nghĩa vai trò vi khuẩn lam 29 1.3.4.2 Đặc điểm cấu tạo 29 1.4 Vi sinh vật nhân thật- EUKARYOTE 31 1.4.1 Định nghĩa 31 1.4.2 Hình thái, cấu tạo tế bào Nấm men 32 1.4.2.1 Định nghĩa vai trò nấm men 32 1.4.2.1 Đặc điểm cấu tạo 32 1.4.2.2 Phân loại nấm men 38 1.4.2.3 Đặc điểm sinh sản 39 1.4.3 Hình thái, cấu tạo tế bào Nấm mốc 40 1.4.3.1 Đặc điểm hình thái nấm mốc 40 1.4.3.2 Cấu tạo nấm mốc 41 1.4.4 Hình thái, cấu tạo tế bào Tảo Động vật nguyên sinh 46 1.4.4.1 Tảo 46 iii 1.4.4.2 Động vật nguyên sinh 49 1.5 Hình thái, cấu tạo Virus 52 1.5.1 Lịch sử nghiên cứu virus 52 1.5.2 Cấu tạo virus 53 1.5.2.1 Vỏ capsid 53 1.5.2.2 Vỏ 55 1.5.2.3 Lõi acid nucleic (genome) 55 Chương 2: Các trình sinh lý Vi sinh vật 57 2.1 Thành phần hóa học tế bào vi sinh vật 57 2.1.1 Nước 58 2.1.2 Vật chất khô 59 2.1.2.1 Muối khoáng 59 2.1.2.2 Chất hữu 59 2.2 Qúa trình dinh dưỡng vi sinh vật 63 2.2.1 Các kiểu dinh dưỡng vi sinh vật 63 2.2.2 Cơ chế hấp thụ chất dinh dưỡng vi sinh vật 65 2.2.2.1 Vận chuyển thụ động 65 2.2.2.2 Vận chuyển chủ động 67 2.3 Qúa trình trao đổi chất lượng 67 2.3.1 Khái niệm 67 2.3.2 Quá trình trao đổi lượng 69 2.3.2.1 Quá trình đường phân 70 2.3.2.2 Q trình hơ hấp hiếu khí 72 2.3.2.3 Hô hấp yếm khí - q trình lên men 74 2.4 Sự sinh trưởng phát triển vi sinh vật 76 2.4.1 Lý thuyết phát triển vi sinh vật 76 2.4.1.1 Khái niệm 76 2.4.1.2 Sinh trưởng vi sinh vật điều kiện nuôi cấy tĩnh 76 2.4.1.3 Hiện tượng sinh trưởng kép 78 2.4.1.4 Tăng trưởng vi sinh vật điều kiện nuôi cấy liên tục 79 2.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng, phát triển vi sinh vật 80 2.4.2.1 Các tác nhân vật lý 80 2.4.2.2 Ảnh hưởng yếu tố hóa học 83 2.4.2.3 Ảnh hưởng yếu tố sinh học – kháng sinh 85 Chương Phân giải, chuyển hóa vật chất chu trình sinh địa hóa 88 3.1.1 Vi sinh vật phân giải hợp chất hữu chứa C 88 iv 3.1.2 Chu trình C 91 3.2 Chu trình N 92 3.2.1 Vi sinh vật chuyển hóa dạng hợp chất chứa N 92 3.2.1 Chu trình N 92 3.3 Chu trình P 96 3.3.1 Vi sinh vật phân giải hợp chất P hữu P vô 96 3.3.2 Chu trình P 97 3.4 Chu trình S 98 3.4.1 Vi sinh vật chuyển hóa hợp chất chứa S 98 3.4.2 Chu trình S 99 Chương Vi sinh vật mơi trường nước, đất khí 101 4.1 Hệ vi sinh vật môi trường 101 4.1.1 Vi sinh vật môi trường nước 101 4.1.1.1 Vi sinh vật nước bề mặt đất liền 102 4.1.1.2 Vi sinh vật nước biển 106 4.1.1.3 Vi sinh vật nước thải 111 4.1.2 Hệ vi sinh vật môi trường đất 113 4.1.3 Hệ vi sinh vật môi trường khí 115 4.2 Vi sinh vật có lợi mơi trường 116 4.2.1.Vi sinh vật có lợi môi trường đất 116 4.2.2 Vi sinh vật có lợi mơi trường nước 118 4.2.3 Ứng dụng vi sinh vật xử lý môi trường 120 4.2.4 Vi sinh vật thị môi trường nước 122 4.3 Vi sinh vật gây bệnh môi trường nước 126 4.3.1 Vi khuẩn gây bệnh 126 4.3.2 Virus gây bệnh 127 4.3.3 Ký sinh trùng gây bệnh 128 Chương Công nghệ Vi sinh vật xử lý nước thải 130 5.1 Phân loại thành phần nước thải 130 5.2 Cơ sở sinh học xử lý nước thải 139 5.2.1 Xử lý nước thải phương pháp sinh học 139 5.2.1.1 Quá trình phân hủy hiếu khí 142 5.2.1.2 Quá trình phân hủy kỵ khí 144 5.2.2 Vai trò vi sinh vật trình làm nước thải 149 5.2.2.1 Hệ vi sinh vật nước thải 149 5.2.2.2 Hoạt động sống vi sinh vật nước thải 151 v 5.3 Các phương pháp sinh học xử lý nước thải 153 5.3.1 Xử lý nước thải bể hiếu khí (Aerotank) 153 5.3.1.1 Đặc điểm nguyên tắc hoạt động 153 5.3.1.2 Quá trình hình thành bùn hoạt tính 154 5.3.1.3 Các nhóm vi sinh vật có bùn hoạt tính 156 5.3.1.4 Một số cải tiến trình bùn hoạt tính 157 5.3.2 Xử lý nước thải màng lọc sinh học 158 5.3.3 Xử lý nước thải hồ sinh học 160 5.3.3.1 Hồ tùy tiện 160 5.3.3.2 Các loại hồ sinh học khác 161 5.3.4 Xử lý nước thải phương pháp lên men kỵ khí 162 5.3.4.1 Quá trình sinh học kỵ khí 163 5.3.4.2 Các yếu tố kiểm sốt q trình kỵ khí 164 5.3.4.3 Một số phương pháp xử lý kỵ khí nước thải 164 Chương Công nghệ Vi sinh vật xử lý rác thải 167 6.1 Phân loại thành phần rác thải 167 6.2 Vi sinh vật tham gia xử lý rác thải 169 6.3 Các phương pháp sinh học xử lý rác thải 171 6.3.1 Các phương pháp xử lý kỵ khí rác thải 171 6.3.1.1 Phương pháp ủ rác làm phân compost 171 6.3.1.2 Phương pháp chôn lấp 174 6.3.2 Các phương pháp xử lý hiếu khí rác thải 178 6.3.2.1 Phương pháp ủ hiếu khí 179 6.3.2.2 Phương pháp ủ rác không đảo trộn 179 Chương TINH SẠCH MƠI TRƯỜNG KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC VÀ THU NHẬN KHÍ SINH HỌC 180 7.1 Đặc trưng khí thải 181 7.2 Nguyên lý trình tinh khí thải 183 7.2.1 Hấp thụ khí 183 7.2.2 Hấp phụ khí 183 7.2.3 Đốt cháy khí thải 184 7.2.4 Sử dụng thực vật xử lý khí thải 184 7.2.5 Sử dụng vi sinh vật xử lý khí thải 184 7.2.6 Phương pháp khác 185 7.3 Một số phương pháp tinh khí thải 186 7.3.1 Phương pháp lọc sinh học 186 vi 7.3.2 Phương pháp khử H2S môi trường nhờ Vi sinh vật 188 7.4 Phương pháp thu nhận khí sinh học 190 PHẦN B: THỰC HÀNH 192 CHƯƠNG 1: CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG THỰC HÀNH VI SINH 192 BÀI 1: KỸ THUẬT CHUẨN BỊ MÔI TRƯỜNG 192 1.1 Mục đích thí nghiệm 192 1.2 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa 193 1.3 Các bước tiến hành chuẩn bị môi trường 196 1.4 Câu hỏi 204 BÀI 2: KỸ THUẬT PHÂN LẬP BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY TRÊN ĐĨA PETRI VÀ PHƯƠNG PHÁP PHA LOÃNG KẾT HỢP VỚI ĐỔ ĐĨA 205 2.1 Mục đích thí nghiệm 205 2.2 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa 207 3.3 Tiến hành thí nghiệm 208 2.3.1 Kỹ thuật phân lập phương pháp cấy đĩa petri 208 2.3.2 Một số cách cấy phân lập 212 2.3.3 Kỹ thuật phân lập phương pháp pha loãng kết hợp với đỗ đĩa 215 2.4 Câu hỏi 218 CHƯƠNG 2: CÁC PHẢN ỨNG SINH HÓA 219 BÀI 3: THỬ NGHIỆM SINH HÓA TSI (TRIPLE SUGAR IRON AGAR TEST) 219 3.1 Mục đích thí nghiệm 219 3.2 Chuẩn bị thí nghiệm 219 3.3 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa 219 3.4 Tiến hành thí nghiệm 225 3.5 Câu hỏi 226 BÀI 4: THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG PHÂN GIẢI TINH BỘT 227 4.1 Mục đích 227 4.2 Chuẩn bị sinh viên 227 4.3 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa 227 4.4 Cách tiến hành 228 4.5 Những điều cần lưu ý 229 4.6 Câu hỏi 229 BÀI 5: THỬ NGHIỆM CÁC PHẢN ỨNG IMVIC 230 vii 5.1 Mục đích thí nghệm 230 5.2 Chuẩn bị sinh viên 230 5.3 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa 230 5.4.Cách tiến hành 233 5.5 Câu hỏi 235 BÀI 6: XÁC ĐỊNH HOẠT TÍNH CỦA ENZYME CATALASE 236 6.1 Mục tiêu học 236 6.2 Chuẩn bị sinh viên 236 6.3 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa 236 6.4 Tiến hành thí nghiệm 237 6.6 Câu hỏi 238 CHƯƠNG 3: VI SINH VẬT TRONG ĐẤT 239 Bài 7: XÁC ĐỊNH VÒNG ĐỜI CỦA VI SINH VẬT CÁC PHƯƠNG PHÁP PHA LOÃNG VÀ ĐỔ ĐĨA 239 7.1 Mục tiêu thí nghiệm 239 7.2 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa 239 7.3 Tiến hành thí nghiệm 240 7.4 Những kinh nghiệm cần nắm bắt 243 7.5 Thí dụ tính tốn 244 7.6 Câu hỏi 244 Bài 8: NẤM SỢI 246 8.1 Mục tiêu thí nghiệm 246 8.2 Cở sở lý thuyết ý nghĩa 246 8.3 Tiến hành thí nghiệm 248 8.4 Kỹ 250 8.5 Tính tốn 251 8.6 Câu hỏi 253 BÀI 9: QUAN SÁT VI SINH VẬT CĨ TRONG ĐẤT QUA KÍNH HIỂN VI 254 9.1 Mục tiêu thí nghiệm 254 9.2 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa 254 9.3 Tiến hành thí nghiệm 255 9.4 Câu hỏi 258 Bài 10: VI KHUẨN VÀ XẠ KHUẨN 259 10.1 Mục tiêu thí nghiệm 259 10.2 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa 259 viii 10.3 Tiến hành thí nghiệm 263 10.4 Kỹ 266 10.5 Câu hỏi 267 Bài 11: XÁC ĐỊNH SỐ LƯỢNG TẢO: BẢNG LIỆT KÊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP MPN 268 11.1 Mục tiêu thí nghiệm 268 11.2 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa 268 11.3 Tiến hành thí nghiệm 269 11.4 Tính tốn 270 11.5 Câu hỏi 273 CHƯƠNG 4: VI SINH VẬT TRONG NƯỚC 275 BÀI 12: XÁC ĐỊNH SỐ COLIFORM TRONG NƯỚC BẰNG THỬ NGHIỆM MPN 275 12.1 Mục tiêu thí nghiệm 275 12.2 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa 275 12.3 Tiến hành thí nghiệm 276 12.4 Câu hỏi 279 Bài 13: ĐỊNH LƯỢNG VI SINH VẬT BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÀNG LỌC 280 13.1 Mục tiêu thí nghiệm 280 13.2 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa 280 13.3 Tiến hành thí nghiệm 280 13.4 Tính tốn 281 13.5 Câu hỏi 281 CHƯƠNG 5: SỰ BIẾN ĐỔI CÁC CHẤT CỦA VI SINH VẬT 282 BÀI 14: SỰ OXI HÓA CÁC HỢP CHẤT SUNFUR CÓ TRONG ĐẤT 282 14.1 Mục tiêu thí nghiệm 282 14.2 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa 282 14.3 Tiến hành thí nghiệm 284 14.4 Tính toán 286 14.5 Câu hỏi 286 BÀI 15: NITRITE HÓA VÀ SỰ KHỬ NITRITE HÓA 287 15.1 Mục tiêu nhiệm vụ 287 15.2 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa 287 15.3 Tiến hành thí nghiệm 288 15.4 Những điều cần lưu ý 289 15.5 Câu hỏi 289 ix TÀI LIỆU THAM KHẢO 291 x Thử nghiệm sở: - Chuẩn bị ống lactose kép ống lactose đơn bước dán nhãn theo số lượng mẫu nước cho vào 10ml, 1ml, 0.1ml Lắc mẫu khoảng 25 lần Dùng pipette 10ml hút 10 ml mẫu nước cho vào ống nghiệm chứa lactose kép Làm cho hai ống lại Dùng pipette 1ml hút 1ml mẫu nước vào ống lactose đơn 0.1ml vào ống lactose đơn Mỗi nồng độ làm ống Ủ ống nghiệm 24-48 350C 277 Thử nghiệm xác định: - Chọn ống nghiệm dương tính mơi trường lactose broth Tiến hành cấy lên đĩa chứa môi trường EMB môi trường Endo Tiến hành ủ 24h 350C Quan sát hình dạng màu sắc khuẩn lạc sau ghi vào báo cáo sinh viên Thử nghiệm kết luận: 278 - Quan sát khuẩn lạc mọc hai môi trường kết dương tính kết luận mẫu nước an tồn 12.4 Câu hỏi Tại xác định coliform đại diện cho loại vi sinh vật gây bệnh? Nêu tên hai loại vi sinh vật thuộc nhóm coliform mà sinh viên thường gặp nhất? Coliforms định nghĩa nào? Nêu tên bốn loại vi sinh vật gây bệnh có nước? Khuẩn lạc coliforms mơi trường EMB màu gì? Tại lại có màu đó? Xung quanh khuẩn lạc coliforms mơi trường Endo có màu ? Tại lại có màu đó? Tại phải thêm muối mật vào mơi trường BGBL? Mục đích việc cho ống Durham vào ống nghiệm để làm gì? Tiêu chuẩn xác định coliform nước uống Mỹ tiêu chuẩn nào? 10 Lưu ý điều cho ống Durham vào ống nghiệm? Tài liệu tham khảo APHA (1998) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater American Public Health Association, Washington, DC 279 BÀI 13: ĐỊNH LƯỢNG VI SINH VẬT BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÀNG LỌC 13.1 Mục tiêu thí nghiệm Mục tiêu: Xác định coliform coliform phân phương pháp màng lọc - Lọc mẫu nước màng lọc Ủ màng lọc môi trường thạch đĩa từ 24-48h Quan sát đếm số khuẩn lạc coliform coliform phân Tính tốn số lượng coliform coliform phân mẫu nước 13.2 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa Ngoài phương pháp MPN người ta sử dụng phương pháp màng lọc để xác định số lượng vi sinh vật có nước, màng lọc phải đảm bảo kích thước lỗ lọc khoảng 0.45µm Phương pháp màng lọc dể thao tác cho kết nhanh phương pháp MPN áp dụng với lượng mẫu lớn khoảng 250ml, nhiên cịn phụ thuộc nhiều điều kiện mơi trường, chọn môi trường phù hợp cho môi trường vi sinh vật dễ phát triển có điểm đặt biệt để phát vi sinh vật khác Cũng dùng phương pháp màng lọc để xác định coliform coliform phân khác chổ coliform phân chịu nhiệt 44,50C coliform phát triển 350C Tuy nhiên phương pháp màng lọc áp dụng mẫu nước đục có nhiều cặn lơ lửng làm cản trở trình lọc 13.3 Tiến hành thí nghiệm Ngun liệu: - Kẹp gấp - Đèn cồn - đĩa petri - mảng lọc có đường kính 0.45µm - 15ml FC agar - 6ml Endo broth - Tủ ấm 450C Lấy màng lọc đặt cổ bình sau đặt phểu đựng nước lên trên, dùng kẹp kẹp chặt phểu cổ bình cho màng lọc vị trí trung tâm Tiến hành lọc mẫu nước cách cho vào từ từ đến phểu Thao tác cẩn thận dùng kẹp triệt trùng gấp nhẹ nhàng màng lọc nhanh chóng đặt mơi trường Endo broth – MF coliform phân đặt vào đĩa petri chứa môi trường FC agar coliform Ủ đĩa petri xác định coliform phân 450C ủ đĩa petri xác định coliform 350C 280 Quan sát khuẩn lạc mọc môi trường Endo broth MF khuẩn lạc coliform có màu đỏ hồng xanh có ánh kim Khuẩn lạc khơng có ánh kim xem coliform phân Quan sát môi trường FC khuẩn lạc coliform phân có màu xanh lục khơng nên quan tâm đến hình dạng Các khuẩn lạc khác khơng phải coliform phân Hình 13-1: Thao tác tiến hành lọc 13.4 Tính tốn Số lượng vi khuẩn có dung dịch lọc là: Số vi khuẩn bề mặt lọc x 100/ số ml nước lọc Ví dụ: Lọc 250 ml nước máy sau lọc ủ môi trường thạch ta đếm số khuẩn lạc 50 khuẩn lạc số vi khuẩn có 100ml nước là: 50x100/250 = 20 vi khuẩn/100ml 13.5 Câu hỏi 1.Nhược điểm phương pháp dùng màng lọc gì? Sự khác coliform coliform phân gì? Tiêu chuẩn xác định coliform phân thường áp dụng cho loại nước nào? (Nước giếng, nước hồ bơi, nước sinh hoạt, nước uống, nước đá) Nêu lên ưu điểm phương pháp sử dụng màng lọc ? Tài liệu tham khảo APHA (1998) Standard Methods for the Examination American Public Health Association, Washington, DC of Water and Wastewater, 2nd edition Maier, R.M., Pepper, I.L., and Gerba, C.P (2000) Environmental Micro- biology Academic Press, San Diego 281 CHƯƠNG 5: SỰ BIẾN ĐỔI CÁC CHẤT CỦA VI SINH VẬT BÀI 14: SỰ OXI HÓA CÁC HỢP CHẤT SUNFUR CÓ TRONG ĐẤT 14.1 Mục tiêu thí nghiệm Mục tiêu: Theo dỏi oxy hóa hợp chất sunfur thành sunfate đồng thời với giảm pH tạo sản phẩm mang proton - Ủ ba mẫu đất ( mẫu đất bình thường dùng để kiểm chứng, mẫu đất có thêm sulfur, mẫu đất có thêm sulfur glucose) Xác định độ ẩm tất ba mẫu đất kể tên Ủ mẫu đất thời gian tuần Xác định khả oxy hóa sulfur việc phân tích hàm lượng sulfate giá trị pH hàng tuần 14.2 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa Một phương pháp ước định số vi sinh vật có đất người ta cịn xác định hoạt động sinh lý chúng mà tiêu biểu xác định enzyme hoạt lực chúng Các phản ứng enzyme có đất xảy hai dạng hữu sinh vơ sinh Vì việc thêm chất dinh dưỡng vào tế bào để xác nhận phản ứng hóa học xảy xúc tác enzyme công việc cần thiết (Burns, 1982; Skujins 1976) Có hai loại enzyme ngoại bào enzyme nội bào Việc oxy hóa hợp chất sulfur có đất loại vi sinh vật tự dưỡng loại vi sinh vật dị dưỡng vi sinh vật dị dưỡng gây có ích có gây nguy hại cho đất Oxy hóa hợp chất sulfur tạo dạng sunfate làm giảm pH phản ứng cách tạo sản phẩm theo phương trình sau đây: Các loại vi sinh vật hóa tự dưỡng Thiobacillus thiooxidans sử dụng nguồn lượng giải phóng từ phản ứng tạo CO2 Tuy nhiên, vi sinh vật hóa tự dưỡng oxy hóa S bị hạn chế nguồn Cacbon (hình 19- 1) Vì loại đất có có hàm lượng chất hữu cao hạn chế oxy hóa hợp chất sulfur vi sinh hóa tự dưỡng 282 Hình 14-1: Mơ tả oxy hóa S Thiobacillus thiooxidans với có hay khơng có glucose ( Pepper Miler, 1978) Đối với loại vi sinh dị dưỡng oxy hóa S theo phản ứng trên, việc oxy hóa khơng cần lượng tạo sản phẩm H+ SO42- Sự oxy hóa S loại vi sinh vật dị dưỡng khơng xảy khơng có mặt nguồn cacbon thể (hình 14-2) Hình 14-2: Mơ tả oxy hóa S loại vi sinh vật dị dưỡng với có hay khơng có glucose ( Pepper Miler, 1978) Đối với loại vi sinh vật khơng oxy hóa sulfur thêm glucose vào chuyển hóa chất diển dễ dàng Chúng ta cố định sinh khối vi sinh vật mà tạo sulfate thể (hình 14-3) 283 Hình 14-3: Ảnh hưởng glucose S đến oxy hóa hợp chất sulfur Để xác định hàm lượng SO42- cách thêm BaCl2 vào để tạo BaSO4 dung dịch có độ đục để xác định hàm lượng SO4 dùng phương pháp đo quang để xác định lượng SO4 tạo thành Mật độ quang lớn chứng tỏa hàm lượng SO4 nhiều Để đo mật độ quang xác định hàm lượng SO4 người ta đo bước sóng 470nm Bảng 19.1 Mối quan hệ nồng độ SO42- µg/ml với độ hấp thu A SO42- µg/ml Độ hấp thu A 0.00 0.000 12.50 0.293 25.00 0.478 50.00 0.883 78.00 1.380 14.3 Tiến hành thí nghiệm Chuẩn bị: - 640 g đất để phân tích 284 - Cân phân tích - pH kế - Glucose - 40 ml CaCl2 0.01M - 25ml NaCl 0.1M - Pipette - BaCl2 - Máy đo quang bước sóng 470nm Chuẩn bị: - Cân 240 g mẫu đất dùng để đối chứng - Cân 200g đất có bổ sung thêm 0.5g Sulfur - Cân 200g đất có bổ sung thêm 0.5g Sulfur 0.5% glucose - Trộn mẫu đất cho đồng - Thêm vào lượng nước cách cho vào từ từ để đảm bào yêu cầu độ ẩm giáo viên - Tiến hành bao gói mẫu đất lại đảm bảo điều kiện hiếu khí xảy - Cân mẫu đất dụng cụ chứa đựng kể bao gói XÁC ĐỊNH HOẠT TÍNH LOẠI ĐẤT TRƯỚC KHI TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 1.Xác định pH - Cân xác 10g đất cho vào bercher 100ml - Cho vào 20ml 0.01M CaCl2 sau khuấy để ổn định 30s Sau dùng Ph kế đo kết lưu ý đọc kết số Ph không thay đổi nửa thay đổi không 0.1 đơn vị Xác định SO42- - Cân 10 g đất cho vào erlen 125ml Sau cho thêm 25ml dung dịch NaCl 0.1M sau khuấy 30s - Thêm 0.2g than hoạt tính để hấp thụ tất chất màu không mong muốn có dung dịch 285 - Dùng giấy lọc để lọc 5ml dung dịch lọc để tiến hành xác định hàm lượng SO4 - Cho 5ml dung dịch lọc vào ống nghiệm sau cho thêm 1ml 0.5% chất ổn định gum agarbic thêm 0.5g BaCl2 tinh thể với lượng đủ để kết tủa tồn lượng SO4 có dung dịch - Cho dung dịch thu vào cuvet tiến hành đo độ hấp thu bước sóng 470nm sau tra bảng 19.1 để xác định nồng độ SO4 Trong trường hợp đặt biệt độ hấp thụ A lớn nhiều so với 1.3 tiến hành pha loãng đo quang -Ủ mẫu đất thí nghiệm nhiệt độ phịng để chuẩn bị cho bước - Cân lại khối lượng đất bao chứa - Tiến hành xác định mẫu đất cho loại giá trị PH nồng độ SO42- Làm công việc sau tuần ủ 14.4 Tính tốn Để tính tốn nồng độ SO42 1g đất khô ta áp dụng công thức sau: 14.5 Câu hỏi 1.Các chất hữu có ảnh hưởng đến việc oxy hóa hợp chất sulfur có đất? Mơ tả q trình oxy hóa hợp chất sulfur Thiobacillus thiooxidans? 3.Tại phân bón tây nam nước Mỹ thường phải bổ sung thêm sulfur? Tài liệu tham khảo Burns, R.G (1982) Enzyme activity in soil: Location and possible role in microbial ecology Soil Biology and Biochemistry 14, 423–427 Maier, R.M., Pepper, I.L., and Gerba, C.P (2000) Environmental Micro- biology Academic Press, San Diego Pepper, I.L., and Miller, R.H (1978) Comparison of the oxidation of thiosul- fate and elemental sulfur by two heterotrophic bacteria and Thiobacillus thiooxidans Soil Science 126, 9–14 Skujins, J (1976) Extracelluar enzymes in soil CRC Critical Reviews in Microbiology 4, 383–421 286 BÀI 15: NITRITE HÓA VÀ SỰ KHỬ NITRITE HÓA 15.1 Mục tiêu nhiệm vụ Mục tiêu: Nhận thấy tầm quan trọng vi sinh vật chuyển đổi hợp chất nito có đất -Thêm nitrate vào đất đảm bảo thay đổi số lượng suốt trình ủ -Thêm muối amoni vào đất ủ vòng tuần với cách xử lý sau: hiếu khi, kị khí, hiếu khí kết hợp với glucose, kị khí kết hợp với glucose -Xác định hàm lượng nitrate ban đầu để xác định nitrite hóa khử nitrite hóa 15.2 Cơ sở lý thuyết ý nghĩa Nitrat hóa (Nitrification): Là trình chuyển hóa từ NH3 (NH4 + ) tác dụng loài vi sinh vật thành NO3 - gọi q trình nitrát hóa Q trình nitrát hóa xảy hai giai đoạn: nitrít hóa nitrát hóa - Q trình nitrít hóa: Vi sinh vật + NH4 + + 3/2O2 → NO2 - + 2H+ + H2O + Q Tham gia q trình có giống chủ yếu: Nitrosomonas; Nitrosolobus; Nitrocystis; Nitrosospira - Quá trình nitrát hóa: Vi sinh vật + NO2 - + 1/2O2 → NO3 - + Q Tham gia trình gồm có giống vi sinh vật: Nitrobacter; Nitrospira; Nitrococcus Điều kiện chung cho vi khuẩn nitrat hóa pH: 5,5 - 9, tốt 7,5, pH < vi khuẩn phát triển chậm lại Phản Nitrat (Denitrification): Là q trình chuyển hóa NO3 - thành N2 để bù trả lại nitơ cho khơng khí gọi q trình phản nitrát hóa Vi khuẩn tham gia vào q trình phản nitrate hóa bao gồm loại yếm khí khơng bắt buộc như: Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Proteus, Pseudomonas, Những vi khuẩn dị dưỡng, có khả khác khử nitrat theo bước: - Chuyển hóa nitrat thành nitrit - Tạo nitơ oxít, đinitơ oxít, khí nitơ Cơ chế: Dưới tác dụng loài vi sinh vật: HNO3 →HNO2 →HNO→ N2O →N2 + H2O 287 NH4Cl + HNO2 → HCl + H2O + N2↑ R-NH2 + HNO2 → R-OH + H2O + N2↑ R – CO – NH2 + HNO2 → R – COOH + H2O + N2↑ 15.3 Tiến hành thí nghiệm Giai đoạn 1: Chuẩn bị - cân 400g đất loại đất - cốc đủ lớn để chứa 100g đất - KNO3 - Cân phân tích - Deionized water Tiến hành - Cho 4x100g đất vào beaker Thêm 0.1% KNO3 so với trọng lượng khô đất vào mẫu đất Trộn hổn hợp đất chất thêm vào - Cân 2x25g đất vào beaker mà khơng có nitrate - Bổ sung thêm nước để đạt yêu cầu độ ẩm theo hướng dẫn giáo viên Sau dùng bao nilong cột lại ủ mẫu vòng tuần nhiệt độ phòng Giai đoạn Chuẩn bị Nguyên liệu - Mẫu đất ủ giai đoạn - Cân phân tích - erlen 125ml - (NH4)2SO4 - Glucose Nồng độ nitrate tuần đầu - cân lại tất mẫu đất xác định độ ẩm cho vào erlen 125ml erlen 10g đất (4 mẫu có bổ sung nitrate mẫu khơng có bổ sung nitrate) Thêm tiếp 25ml nước deionized vào bình chứa khuấy khơng liên tục vịng 30s Tiến hành lọc dung dịch giấy lọc, cần vài ml dung dịch lọc 288 - Ngâm test thử nitrate vào dung dịch lọc sau sử dụng thang đo màu để xác định hàm lượng nitrate có mẫu Đọc kết NO3- tuần Có thể pha lỗng đem xác định nồng độ hàm lượng nitrate mẫu cao - Tính tốn lượng nitrate có mặt mẫu đất Thêm muối amoni vào đất - Bổ sung vào mẫu đất có nitrate với 0.1%(NH4)2SO4 g đất khô, trộn hổn hợp - Dán nhãn vào bình chứa sau: kị khí, kị khí kết hợp với glucose, hiếu khí, hiếu khí kết hợp với glucose - Thêm glucose vào lọ xử lý với glucose nồng độ glucose 0.5% 1g đất khô, trộn hổn hợp - Đôi với hai mẫu xử lý với điều kiện kị khí thêm vào lượng nước thay đổi loại vỏ bọc để đảm bảo điều kiện kị khí, cân lại khối lượng bao gói Giai đoạn 3: - mẫu đất ủ tuần trước - cân phân tích - erlen 125 ml Tiến hành - Cân lại khối lượng bình chứa ghi lại trọng lượng Tính tốn lại độ ẩm đất Phân tích hàm lượng nitrate có 10g đất giai đoạn 15.4 Những điều cần lưu ý Nên: - Trong mẫu xử lý hiếu khí kị khí phải đảm bảo, mẫu xử lý kị khí tránh oxy lọt vào Không nên: - Để oxy lọt vào điều kiện kị khí 15.5 Câu hỏi 1) Mục đích việc xử lý hiếu khí kị khí để làm gì? So sánh hai cách xử lý trên? Xử lý ảnh hưởng đến trình nitrite khử nitrite hóa? 2) Mục đích việc thêm glucose vào mẫu xử lí với glucose để làm gì? 3) Tại phải thêm muối amoni vào trình xử lý? 4) So sánh hiệu cách xử lý hiếu khí, kị khí, hiếu khí kết hợp với glucose, kị khí kết 289 hợp với glucose? 5) Nhận định ích lợi quan sát ảnh hưởng q trình nitrite hóa? Tài liệu tham khảo Atlas, R.M., and Bartha, R (1987) Microbial Ecology: Fundamentals and Applications, 2nd Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc., Menlo Park edition The Maier, R.M., Pepper, I.L., and Gerba, C.P (2000) Environmental Micro- biology Academic Press, San Diego Pepper, I.L., Gerba, C.P., and Brusseau, M.L (1996) Pollution Science Academic Press, San Diego 290 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] [2] [3] Tiếng Anh: [4] I.L Pepper and C.P Gerba (2004) Environmental Microbiology A Laboratory Manual Secomd edition Elsevier Academic Press, USA, 209 p 291 ... cơng nghiệp, Vi sinh vật học thực phẩm, Vi sinh vật học y học, Vi sinh vật học thú y, Vi sinh vật đất, Vi sinh vật học nước, Vi sinh vật học khơng khí, Vi sinh vật học dầu mỏ, Vi sinh vật học... Hệ vi sinh vật môi trường đất 113 4.1.3 Hệ vi sinh vật môi trường khí 115 4.2 Vi sinh vật có lợi mơi trường 116 4.2.1 .Vi sinh vật có lợi môi trường. .. 4.2.2 Vi sinh vật có lợi mơi trường nước 118 4.2.3 Ứng dụng vi sinh vật xử lý môi trường 120 4.2.4 Vi sinh vật thị môi trường nước 122 4.3 Vi sinh vật