I. THÔNG TIN CHUNG VÊ ĐÊ TÀ
B- Vi sinhvật tham gia quá trình phân hủy kỵ khí
Bốn nhóm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình chuyển hóa vật chất hữu cơ trong xử lý kỵ khí gồm có nhóm thủy phân, nhóm lên men sinh acid, nhóm sinh acetate và nhóm sinh methane (Hình 1). Các nhóm vi khuẩn này hoạt động dựa trên mối quan hệ cộng sinh phụ thuộc vào hoạt tính sinh học cũng như sản phẩm trao đổi chất của nhau (Archer, Kirsop, 1991).
Nhóm 1 - Vi khuẩn có hoạt tính thủy phân. N hóm này bao gồm các vi khuẩn kỵ khí và kỵ khí tùy tiện thực hiện chức năng bẻ gãy các phân tử hữu cơ phức hợp (như protein, cellulose, lignin, lipid) thành các đơn phân tan trong nước như acid amin, glucose, acid béo và glycerol, tạo nguồn cơ chất cho nhóm vi khuẩn tiếp theo tham gia quá trình phân hủy (Bitton, 1999). Thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử được thực hiện nhờ các enzyme thủy phân ngoại bào như cellulase, protease và lipase. Giai đoạn này có thể kéo dài, tùy thuộc thành phần nguồn thải cần xử lý. Để tăng tốc và rút ngắn thời gian cho quá trinh phân hủy kỵ khí, trong m ột số trường hợp xử lý nhiệt hay hỗn hợp enzyme được áp dụng trên nguồn thải đầu vào, tuy nhiên như vậy lại làm tăng giá thành của quá trình xử lý (Lu et ai., 2008; A mania et al., 2010).
Ngvằn thái hiru co’ 1 Các ca* pkin tử
(poỉysaccharid, protein, Hpiđ) —--- ►
Tknỷpkâa
2 Sinh axil
I (Vi khuẩn sinh axit)
Các do'll pkân
(đuòng đon, ant airũn, nitbéo)
Sinh acetat
3 (V i khuẩn lạo acetat)
Acetat Sinh*tetkan * (CH4 + C&.)
4 Khí sinh, học
(V i sinh vật sinh raethan)
H ình 1. Các bước cùa quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ tạo khí sinh học
N hóm 2 - V i k h u ẩ n lên men s in h acid. Vi khuẩn lên men sinh acid (ví dụ như C lostridium )
chuyển hóa đường, acid amin và acid béo thành các acid hữu cơ (như acid acetic, propionic, formic, butyric hay succinic), rượu và keton (như ethanol, methanol, glycerol, acetone), acetate,
C Ơ2v à H2 (A m a n ia e t al., 2 010). A c e ta te là sản p h ẩ m chính đ ư ợ c tạo ra tro n g q u á trìn h lên m en
các hợp chất carbohydrat. Sản phẩm lên m en thay đổi phụ thuộc vào loài vi khuẩn cũng như điều
kiện lý hóa (nhiệt độ, pH, thế oxy hóa khử) trong bể phản ứng (Amania et aỉ., 2010).
N h ó m 3 - V i kh uẩ n sinh acetate (aceíogens). Vi khuẩn acetogen (vi khuẩn sinh acetate và H2) như Syntrobacter và Syntrophomonas (M clnem ay et a i, 1981) chuyển hóa các acid béo (như acid
propionic, butyric) và rượu thành acetate, H2 và CO2. Sản phẩm trao đổi chất của vi khuẩn
acetogen là nguồn cơ chất trực tiếp cho nhóm sinh methane hoạt động. Đe có thể chuyển hóa
được các acid béo, vi khuẩn acetogen cần có điều kiện áp suất cục bộ của H2 trong môi trường ở
mức rat thấp, do vậy quan hệ cộng sinh chặt chẽ với các vi sinh vật sinh methane là nhằm duy trì
điều kiện này (Bitton, 1999; Amania et al., 2010). Ethanol, acid propionic và acid butyric được vi
khuẩn aceíogen chuyển hóa thành acid acetic theo các phương trình phàn ứng như sau:
CH3CH2OH (ethanol) + H20 -> CH3COOH (acid acetic) + 2H2
CH3CH2COOH (acid propionic) + 2H2O —» CH3COOH (acid acetic) + CO2 + 2H2
CH3CH2COOH (acid butyric) + 2H 20 -> 2CH3COOH (acid acetic) + 2H2
Vi khuẩn acetogen sinh trưởng nhanh hơn nhiều so với methanogen (khoảng 25 lần), tuy nhiên methanogen lại sử dụng cơ chất vói hiệu suất thấp (sinh ra ít năng lượng từ một đơn vị cơ chất), do vậy có thể giúp duy trì nồng độ sản phẩm trao đổi chất do acetogen sinh ra (đặc biệt là
H2) ở mức thấp và tạo điều kiện cho acetogen tiếp tục sinh trường (Hammer, 1986).
N h ó m 4 — V i s in h vật sinh m ethane (m ethanogen). Vi sinh vật sinh methane có mặt ở nhiều dạng môi trường sinh thái khác nhau, đặc biệt là các lóp bùn đáy sâu của các thủy vực và trong hệ
đường ruột của động vật nhai lại (Whitman et a i , 2000). Trong hệ xử lý nước thải các vi sinh vật
này sinh trường với tốc độ chậm với thời gian nhân đôi tế bào khoảng 3 ngày ở điều kiện nhiệt độ
3 5 ° c (so với E. c o li là khoảng 15 phút) hay tới 50 ngày ở điều kiện bất lợi 10°c. Vi sinh vật sinh
methane được chia thành hai nhóm lớn:
• Methanogen sử dung hydro (hydrogenotrophic~): chuyển hóa H2 và CO2 thành CH4
C 02 + 4H2 -> CH4 + 2H20
Nhóm vi sinh vật này thực hiện chức năng duy trì áp suất cục bộ của hydro trong hệ xử iý ở mức thấp phù hợp cho vi khuẩn acetogen hoạt động, đảm bảo các acid béo và rượu được
chuyển thành acetate. Các chi thường gặp thuộc nhóm này gồm có Methanobacterỉum,
M ethanobrevibacter, Methanococcus, M ethanom icrobium , Methanogenium (Whitman et
a i, 2 0 0 0).
c h 3c o o h -> CH4 + c o2
Trong bể xử lý kỵ khí hai chi thường gặp thuộc nhóm này là M ethanosarcina và
M ethanothrix. Trong các bể kỵ khí lên men nóng (55°C) xử lý các nguồn thải thực vật
(lignocellulose), M ethanosơrcina chiếm vị trí chủ đạo ở giai đoạn đầu, sau đó dần dần xuất
hiện M ethanothrix do ái lực với cơ chat acetate (giá trị Ks) của M ethanosarcina cao hơn
M ethanothrix (Whitman et al., 2000). Trong hệ xử lý kỵ khí, gần 2/3 methane được sinh ra
từ việc chuyển hóa acetate, 1/3 còn lại có nguồn gốc từ H2 và C 02 (Mackie, Bryant, 1981).
v ề vị trí phân loại trong sinh giới, methanogen được xếp vào nhóm cổ khuẩn (Archaea), có nhiều đặc điểm khác biệt so với vi khuẩn (Bacteria) như cấu trúc thành tế bào, bộ máy tổng hợp
protein (ribosome), một số coenzym e đặc hiệu như F420, coenzym e M (Whitman et ai., 2000).
D o đó n g vai trò th en chốt tro n g toàn bộ q u á trinh x ử lý kỵ khí, m eth a n o g e n tro n g các bể
phản ứng thường được kiểm soát chặt chẽ. Hiện nay các phương pháp xác định số lượng và hoạt tính cùa methanogen trong các bể phản ứng cũng được tối ưu dần, bao gồm nuôi cấy (điều kiện kỵ khí hoàn toàn) đến các phương pháp sinh học phân tử dựa trên D N A và RNA như điện di biến tính (DGGE), lai trực tiếp bằng đầu dò huỳnh quang đặc hiệu (FISH) (Amann, 1995).