L ời cam đoan
4.3 Các yếu tố môi trường (cation, pH) ảnh hưởng đến hiệu suất đông tụ của
4.3.1 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất đông tụ của vi khuẩn
Kết quả phân tích chỉ số pH của 4 cặp chủng vi khuẩn (B. cereus KG05 +
B. megaterium VL01), (B. cereus KG05 + Bacillus sp. VL05), (B. cereus KG05 +
B. aryabhattai ST02) và (B. megaterium VL01 + Bacillus sp. VL05) trong mẫu nước thải khi phân lập, cho thấy vi khuẩn các chủng này tồn tại trong môi trường
có pH từ 6 – 8,5 (Bảng 4.1). Trong nghiên cứu này cho thấy hoạt động sống của
các chủng vi khuẩn đông tụ giới hạn pH 3 – 9. Tuy nhiên, khả năng tạo sự đông tụ
có hiệu suất cao (hiệu suất ≥57%) ở giá trị pH dao động từ 6 đến 8 và phù hợp nhất
thí nghiệm đều có hiệu suất đông tụ từ 70 – 76%, khác biệt có ý nghĩa thống kê ở
mức 1% so với 6 giá trị pH còn lại của từng cặp chủng vi khuẩn thực hiện thí
nghiệm (Bảng 4.7). Như vậy, pH trong môi trường có ảnh hưởng đến hoạt động
sống của vi khuẩnđặc biệt là tác động đến cơ chế của quá trình đông tụ.
Bảng 4.7: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất đông tụ của 4 cặp chủng vi khuẩn
pH
Hiệu suất đông tụ của cặp vi khuẩn (%±SD)
KG05+VL05 KG05+VL01 KG05+ST02 VL01+VL05 3 33e ±0,60 29f ±0,53 25f ±0,80 26e ±1,33 4 42d ±1,08 44d ±2,64 44d ±0,92 32d ±0,60 5 52c ±0,36 52c ±0,75 56c ±0,99 49c ±1,27 6 57b ±1,10 61b ±0,81 61b ±1,23 58b ±0,19 7 72a ±0,76 76a ±1,78 74a ±0,88 70a ±1,05 8 54b,c ±0,95 60b ±1,35 58b,c ±0,47 49c ±0,47 9 34e ±0,89 37e ±0,77 30e ±0,46 27e ±0,98
* Các giá trị trên cùng một cột mang ký tự mũ khác nhau là khác biệt có ý nghĩa thống kê mức 1%
Kết quả Bảng 4.7 cho thấy cặp B.cereus KG05 + B.megaterium VL01 có hiệu
suất đông tụ cao nhất (76%). Các chủng vi khuẩn đông tụ thích nghi tốt ở môi trường trung tính (pH=7), khi ở môi trường acid cao (pH=3) hay bazơ cao (pH=9),
vi khuẩn đông tụ hoạt động kém hiệu quả (hiệu suất đông tụ <40%). Kết quả của
Min et al. (2010); Kimchhayarasy et al. (2009) cho thấy các chủng vi khuẩn đồng đông tụ hoạt động sống ở môi trường pH dao động từ 3 − 9 và tối ưu là pH=7, pH
trong môi trường còn ảnh hưởng đến điện tích trên bề mặt các protein ở màng ngoài của tế bào vi khuẩn, qua đó tác động đến sự kết dính giữa các tế bào vi khuẩn làm thay đổi hiệu suất đông tụ, vì một trong các cơ chế tạo sự đông tụ đã
được chứng minh là do liên kết giữa protein lectin của tế bào này với
oligosaccharide của tế bào kia (Malik et al., 2003). Theo Ryan và Russell (2013) sự chênh lệch điện tích do pH sẽ làm ảnh hưởng đến sự tương tác định hướng của
protein và oligosaccharide không còn đặc hiệu. Vì vậy, pH của môi trường có tác động rất lớn đến sự thích nghi và khả năng hoạt động của các chủng vi khuẩn đông
tụ, sự biến đổi pH của môi trường sẽ làm thay đổi trạng thái điện ly của phân tử, thay đổi các chất dinh dưỡng cũng như thay đổi tính thấm trên màng của các tê bào vi sinh vật. Hơn nữa vi khuẩn đông tụ được phân lập ngay trong môi trường có độ
pH phù hợp với mức pH tối ưu của vi khuẩn đông tụ. Đây là điều kiện thuận lợi
Theo Nguyễn Lân Dũng et al. (2012) pH có ảnh hưởng rõ rệt đối với sự sinh trưởng của vi sinh vật. Mỗi vi sinh vật đều có một phạm vi pH sinh trưởng nhất định và mức pH tối ưu của chúng. Mặc dù vi sinh vật có thể sinh trưởng trong một
phạm vi pH khá rộng và xa với pH tối ưu của chúng, nhưng tính chịu đựng của
chúng cũng có giới hạn nhất định.
Trong nghiên cứu của Ryan và Russell (2013) ứng dụng hiện tượng đông tụ
của các tế bào vi khuẩn để thu sinh khối của vi tảo trong quy trình sản xuất. Ảnh hưởng của pH lên hiệu suất đông tụ của các tế bào vi khuẩn chủng Bacillus sp.
được kiểm tra; kết quả là hiện tượng đông tụ không xảy ra hoặc xảy ra nhưng không đáng kể khi được khảo sát ở pH = 6 và pH = 7; tại pH = 8 sự đông tụ được
ghi nhận nhưng hiệu suất không cao. Khi pH = 9 hiệu suất đông tụ đạt được cao và tiếp tục pH được nâng lên 10, hiệu suất đông tụ có sự gia tăng nhưng khác biệt
không ý nghĩa so với hiệu suất đông tụ đạt được ở giá trị pH = 9. Một nghiên cứu
khác Min et al. (2010) hiệu suất đông tụ của các chủng vi khuẩn trong bùn hoạt
tính tăng lên, khi tăng dần pH từ 3 đến 7 và đạt cao nhất ở pH = 7, sau đó hiệu suất đông tụ giảm do pH tiếp tục được kiềm hóa. Tương tự với thí nghiệm của
Kimchhayarasy et al. (2009), pH = 7 là giá trị tối ưu cho các chủng vi khuẩn đông
tụ được phân lập trong bùn hoạt tính. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất đông
tụ của 4 cặp chủng vi khuẩn đông tụ (B. cereus KG05 + B. megaterium VL01;
B. cereus KG05 + Bacillus sp. VL05; B. cereus KG05 + B. aryabhattai ST02 và
B. megaterium VL01 + Bacillus sp. VL05) có sự biến thiên lớn khi pH môi trường càng xa giá trị 7 (Bảng 4.7). Điều này cho thấy, pH môi trường tác động rất
lớn đến cơ chế tạo sự đông tụ của các chủng vi khuẩnđông tụ.
4.3.2 Ảnh hưởng của cation Ca2+, Mg2+ , Na+, K+ đến hiệu suất đông tụ
Theo Lương Đức Phẩm et al. (2009); Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương (2003) các vi sinh vật trong nước thải chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng, chúng có trong môi trường các chất hữu cơ và có thể đồng hóa chất hữu cơ làm chất dinh dưỡng. Ngoài các chất dinh dưỡng nguồn cacbon, nitơ và phosphor. Các nguyên tố khoáng như K+, Mg2+, Ca2+, Na+ và các nguyên tố vi lượng khác rất cần
cho vi khuẩn sinh trưởng và phát triển tế bào (tăng sinh khối), thường các nguyên tố này ở dạng cation hiện diện trong nước thải. Kết quả phân tích nước thải chăn
nuôi heo sau biogas ở ĐBSCL cho thấy hàm lượng các cation K+, Mg2+, Ca2+, Na+ rất cao (Bảng 4.8).
Bảng 4.8: Hàm lượng cation K+, Mg2+, Ca2+, Na+ trong nước thải chăn nuôi heo sau biogas
STT Cation Hàm lượng (mM/lít)
1 Ca2+ 1,45
2 Mg2+ 14,99
3 K+ 26,41
4 Na+ 0,88
Ghi chú: Thu mẫu trong hầm chứa nước thải chăn nuôi heo sau biogas, tại trại chăn nuôi heo Lê Hoàng Minh, ấp Đông Hưng 2 - Đông Thành - Bình Minh - Vĩnh Long; ngày: 20/02/2014);
Phân tích mẫu tại: Trung tâm kỹ thuật và ứng dụng công nghệ Cần Thơ
Các cation trong môi trường đều cần cho vi sinh vật hoạt động sốngvà tăng
sinh khối. Nếu thiếu các cation là nguyên nhân vi sinh vật hạn chế tăng sinh khối, ngoài ra còn làm cản trở các quá trình hóa sinh của vi khuẩn và ảnh hưởng đến cơ
chế kết dính của bề mặt các tế bào vi khuẩn. Do vậy, cần khảo sát nồng độ nhóm cation hóa trị I (K+, Na+), nhóm cation hóa trị II (Mg2+, Ca2+) phù hợp cho quá
trình hoạt động của vi khuẩn đông tụ khi tham gia vào quá trình xử lý nước thải.
4.3.2.1 Ảnh hưởng của cation Ca2+ đến hiệu suất đông tụ của vi khuẩn
Kết quả khảo sát hiệu suất đông tụ qua 7 nồng độ (10, 20, 30, 40, 60, 80, 100
mM) cation Ca2+ của 4 cặp vi khuẩn đông (B. cereus KG05 + B. megaterium
VL01), (B. cereus KG05 + Bacillus sp. VL05), (B. cereus KG05 + B. aryabhattai
ST02) và (B. megaterium VL01 + Bacillus sp. VL05). Kết quả cho thấy, hiệu suất đông tụ của 4 cặp chủng vi khuẩn hoạt động tối ưu nhất khi môi trường có pH = 7 và 20 mM Ca2+ trong muối CaCl2 cho hiệu suất đông tụ từ 64 − 69%, cao hơn so
với 6 nồng độ còn lại (10, 30, 40, 60, 80, 100 mM) và khác biệt có ý nghĩa thống
kê ở mức 1% (Bảng 4.9). Khi kiểm tra kết quả từng cặp chủng vi khuẩn đông tụ
với từng nồng độ cation Ca2+ khác nhau (10, 20, 30, 40, 60, 80 và 100 mM) cho thấy cả 4 cặp chủng vi khuẩn (KG05 + VL05); (KG05 + VL01); (KG05 + ST02); (VL05 + VL01) đều hoạt động tối ưu khi cation Ca2+ở mức 20 mM cho hiệu suất đông tụ cao nhất (69%) là cặp vi khuẩn chủng KG05 + VL01, tiếp theo là cặp
KG05 + VL05; VL05 + VL01 có hiệu suất đông tụ lần lượt là 68, 66% khác biệt
không có ý nghĩa thống kế ở mức 1% so với cặp KG05 + VL01. Riêng cặp vi
khuẩn KG05 + ST02 có hiệu suất đông tụ thấp nhất (64%) và khác biệt có ý nghĩa
Bảng 4.9: Ảnh hưởng của nồng độ cation Ca2+ đến hiệu suất đông tụ
Nồng độ
Cation Ca2+ (mM/l)
Hiệu suất đông tụ của cặp vi khuẩn (%±SD)
KG05+VL05 KG05+VL01 KG05+ST02 VL01+VL05 10 46,8c ±0,75 42,9d ±0,54 48,9b ±0,88 43,2c,d ±1,42 20 68,1a ±1,97 69,1a ±1,20 63,6a ±0,35 66,3a ±0,20 30 55,0b ±0,84 57,1b ±0,72 47,7b ±1,73 51,5b ±0,64 40 41,5d ±0,54 49,7c ±0,18 38,1c ±0,50 46,2c ±0,91 60 38,7d ±1,59 41,5d,e ±0,49 37,3c,d ±0,94 41,0d ±1,01 80 32,6e±0,50 37,4e ±0,83 33,3d±2,07 40,8d ±0,74 100 12,6f ±1,21 14,0f ±1,12 9,77e ±0,72 6,58e ±1,19
* Các giá trị trên cùng một cột mang ký tự mũ khác nhau là khác biệt có ý nghĩa thống kê mức 1%
Tuy nhiên cả 4 cặp chủng vi khuẩn đông tụ thực hiện thí nghiệm đều cho hiệu suất cao nhất khi môi trường có cation Ca2+ ở nồng độ 20 mM, thích hợp cho
quá trình hoạt động tối ưu của chúng. Kết quả nhiên cứu cũng cho thấy ở mức
nồng độ 10 mM Ca2+, hiệu suất đông tụ của 4 cặp vi khuẩn không cao (<50%),
hiệu suất đông tụ được tăng lên ở tất cả các nghiệm thức khi nồng Ca2+ được bổ
sung 20 mM. Nồng độ Ca2+được tiếp tục tăng lên từ 30 mM đến 100 mM thì hiệu
suất đông tụ ở các các nghiệm thức đều giảm dần và thấp nhất ở mức nồng độ 100 mM Ca2+ trong môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy cation Ca2+ trong môi
trường có ảnh hưởng đến sự kết dính của các tế bào vi khuẩn để tạo sự đông tụ cho hiệu suất tối ưu nhất khi có nồng độ cation Ca2+ phù hợp nhất (20 mM) và có mức
giới hạn trên là 100 mM.
4.3.2.2 Ảnh hưởng của cation Mg2+ đến hiệu suất đông tụ của vi khuẩn
Qua kết quả kiểm tra với 7 mức nồng độ cation Mg2+ trong muối MgCl2 (10, 20, 30, 40, 60, 80 và 100 mM) ở pH=7 cho 4 cặp chủng vi khuẩn đông tụ (B. cereus
KG05 + B. megaterium VL01), (B. cereus KG05 + Bacillus sp. VL05), (B. cereus
KG05 + B. aryabhattai ST02) và (B. megaterium VL01+ Bacillus sp. VL05). Kết
quả được ghi nhận (Bảng 4.10). Bốn cặp chủng vi khuẩn đều hoạt động tối ưu
trong môi trường có 20 mM Mg2+, đạt hiệu suất đông tụ từ 65 – 71,8% cao hơn so
với 6 nồng độ cation Mg2+ còn lại (10, 30, 40, 60, 80 và 100 mM) và khác biệt có ý
nghĩa thống kê ở mức 1%. Khi so sánh từng nồng độ trong mỗi cặp vi khuẩn thì hiệu suất đông tụ có những nồng độ không có sự khác biệt hoặc khác biệt không ý
nghĩa thống kê được. Cụ thể như nồng độ 60 mM và 80 mM ở cặp KG05 + VL01 đều cho hiệu suất đông tụ 41%, cặp chủng vi khuẩn KG05 + ST02 ở nồng độ 10
mM cho hiệu suất đông tụ là 54% khi nồng độ cation Mg2+ được tăng đến 20 mM
thì hiệu suất đông tụ tăng đến 67,4%, tiếp tục tăng nồng độ cation Mg2+ lên 30 mM, hiệu suất đông tụ lại bằng với hiệu suất ở nồng độ 10 mM (54%), khi tiếp tục tăng nồng độ cation Mg2+ lên đến 100 mM thì hiệu suất đông tụ chỉ còn từ 14-19%.
Điều này cho thấy nồng độ cation Mg2+ có liên quan đến cơ chế kết dính của bề
mặt tế bào vi khuẩn từ đó làm ảnh hưởng đến hiệu suất đông tụ của vi khuẩn. Theo Nguyễn Thị Thu Hà (2008) Cation Mg2+ là thành phần khoáng chất luôn hiện diện trong nước thải, đặc biệt là nước thải chăn nuôi heo sau boigas, do đó vi khuẩn đông tụ hoạt động cũng chịu ảnh hưởng bởi nồng độ cation Mg2+ đến khả năng
hoạt động tối ưu của chúng.
Bảng 4.10: Ảnh hưởng của nồng độ cation Mg2+ đến hiệu suất đông tụ
Nồng độ
Cation Mg2+ (mM/L)
Hiệu suất đông tụ của cặp vi khuẩn (%±SD)
KG05+VL05 KG05+VL01 KG05+ST02 VL01+VL05 10 54,9b ±0,58 53,6c ±0,68 53,7b ±0,66 46,7b ±0,74 20 66,8a ±1,07 71,8a ±0,45 67,4a ±0,33 65,4a ±0,30 30 59,4b ±0,72 63,0b ±0,89 53,9b ±0,26 60,8a ±0,73 40 42,2c ±1,18 47,0d ±0,36 44,7c ±0,58 40,3c ±0,73 60 34,7d ±1,66 41,0e ±0,52 43,2c ±0,77 36,1c ±1,09 80 26,0e ±0,95 40,1e ±1,22 34,7d ±0,57 28,1d ±0,21 100 18,9f ±0,68 16,6f ±0,33 14,4e ±0,34 15,3e ±0,56
* Các giá trị trên cùng một cột mang ký tự mũ khác nhau là khác biệt có ý nghĩa thống kê mức 1%
Bên cạnh đó, các cation trong môi trường còn tham gia vào quá trình cân bằng trao đổi tính thẩm thấu của màng tế bào vi khuẩn. Đối với vi khuẩn đông tụ,
các cation Mg2+ còn có vai trò làm trung hòa điện tích trong môi trường, từ đó
tham gia hình thành cầu nối liên kết hữu ích cho sự kết dính của các tế bào vi khuẩn với nhau, qua đó làm tăng hiệu suất đông tụ của các cặp vi khuẩn. Như vậy,
vi khuẩn đông tụ thích nghi với môi trường có nồng độ cation Mg2+ là 20 mM, nguyên nhân là do vi khuẩn đông tụ đã được tồn tại trong môi trường giàu nồng độ
cation Mg2+ (Bảng 4.8), kết quả này cho thấy việc ứng dụng vi khuẩn đông tụ vào xử lý nước thải chăn nuôi heo sau biogas rất phù hợp với điều kiện môi trường.
4.3.2.3 Ảnh hưởng của cation Na+ đến hiệu suất đông tụ của vi khuẩn
Kết quả kiểm tra hiệu suất đông tụ 4 cặp vi khuẩn đông tụ (B. cereus KG05 +
B. megaterium VL01), (B. cereus KG05 + Bacillus sp. VL05), (B. cereus KG05 +
trường có cation Na+ với 7 nồng độ (10, 20, 30, 40, 60, 80 và 100 mM) ở pH=7
cho thấy, khi môi trường có cation Na+ nồng độ 10 mM thì hiệu suất đông tụ của 4
cặp vi khuẩn rất thấp khoảng 40%, nhưng khi tăng nồng độ lên 20, 30 mM thì hiệu
suất đông tụ cũng dần tăng lên từ 50 – 71,6%. Khi tiếp tục tăng nồng độ Na+ trong muối NaCl lên từ 40 – 100 mM thì hiệu suất đông tụ bắt đầu giảm dần đến 100 mM
thì gần như các cation này ức chế hoàn toàn sự kết dính của các tế bào vi khuẩn với
nhau, có cặp vi khuẩn KG05 + VL01 hiệu suất đông tụ chỉ còn 9% (Bảng 4.11). NaCl là loại muối phổ biến và có nhiều trong thức ăn của heo, trong quá trình phân giải các chất trong thức ăn, lượng NaCl được đào thải ra môi trường nước thải rất
lớn qua phân và nước tiểu, do đó trong nước thải chăn nuôi heo nồng độ cation Na+
vẫn còn khá cao (Bảng 4.8) và các chủng vi khuẩn đông tụ cũng được phân lập từ môi trường nước thải này, đây là điều thuận lợi cho vi khuẩn hoạt động và phát
huy cơ chế đông tụ được cao nhất.
Bảng 4.11: Ảnh hưởng của nồng độ cation Na+ đến hiệu suất đông tụ
Nồng độ
Cation Na+ (mM/l)
Hiệu suất đông tụ của cặp vi khuẩn (%±SD)
KG05+VL05 KG05+VL01 KG05+ST02 VL01+VL05 10 38,4d ±0,64 43,1d ±0,48 35,1d ±1,29 34,4d ±3,01 20 49,8b ±1,08 53,6c ±0,86 51,9b ±0,53 51,4b ±0,72 30 63,7a ±0,88 71,6a ±2,04 69,1a ±1,24 66,7a ±0,92 40 44,5c ±1,39 66,6b ±1,28 51,9b ±1,20 43,2c ±1,50 60 36,1e ±0,36 33,8e ±0,62 43,7c ±0,91 31,9d ±0,67 80 25,4f ±0,90 33,4e ±4,66 32,8d ±1,23 31,1d ±1,57 100 16,7g ±0,79 9,45f ±1,22 11,5e ±0,76 10,7e ±1,63
* Các giá trị trên cùng một cột mang ký tự mũ khác nhau là khác biệt có ý nghĩa thống kê mức 1%
Từ Bảng 4.11 cho thấy 4 cặp chủng vi khuẩn đông tụ (B. cereus KG05 +
B. megaterium VL01), (B. cereus KG05 + Bacillus sp. VL05), (B. cereus KG05 +
B. aryabhattai ST02) và (B. megaterium VL01 + Bacillus sp. VL05) đều có hiệu
suất đông tụ cao ở nồng độ 30 mM Na+ trong muối NaCl và khác biệt có ý nghĩa
thống kê ở mức 1% so với các nồng độ còn lại. Trong đó cặp vi khuẩn KG05 + VL01 có hiệu suất đông tụ cao nhất (71,6%) và cũng chính cặp chủng vi khuẩn
KG05 + VL01 có hiệu suất đông tụ thấp nhất (9%) ở nồng độ 100 mM Na+ trong muối NaCl. Điều này cho thấy nồng độ cation Na+trong môi trường có ảnh hưởng
rất lớn đến quá trình hoạt động của vi khuẩn trong khoảng cách giới hạn rất xa nhưng vẫn có mức phù hợp nhất giúp vi khuẩn hoạt động tối ưu cho quá trình tạo
Kết quả nghiên cứu phù hợp với kết quả của Min et al. (2010) khi cho 2 chủng vi khuẩn Sphingomonas natatoria 2.1gfp và Micrococcus luteus 2.13 kết
cặp nhau và bổ sung cation Na+đến nồng độ 90 mM thì khả năng kết dính của cặp