Pseudomonas stutzeri dòng D3b và vi khuẩn tích lũy phosphate Bacillus subtilis
dòng TGT.013L trong nước rỉ rác và nước thải chăn nuôi heo trên mô hình bình tam giác 0,5 lít/đơn vị thí nghiệm
Thí nghiệm trên mỗi loại nước thải được tiến hành trong 9 ngày. Mật số vi khuẩn chuyển hóa nitơ và vi khuẩn tích lũy phosphate được khảo sát liên tục mỗi ngày.
4.1.1. Hiệu quả đường glucose, acid acetic đến khả năng tăng sinh của vi
khuẩn chuyển hóa nitơ Pseudomonas stutzeri dòng D3b và vi khuẩn tích lũy
phosphate Bacillus subtilis dòng TGT.013L trong nước rỉ rác:
Thí nghiệm được tiến hành với nước rỉ rác có hàm lượng ammonium là 377 mg/L và hàm lượng phosphate hòa tan là 11 mg/L, giá trị pH bằng 8,3.
Hiệu quả đường glucose, acid accetic đến khả năng tăng sinh của vi khuẩn
chuyển hóa nitơ Pseudomonas stutzeri dòng D3b trong nước rỉ rác:
Mật số vi khuẩn chuyển hóa nitơ trong các nghiệm thức lúc bắt đầu thí nghiệm xấp xĩ bằng nhau (khoảng 7,7 log10 CFU/mL). Mặc dù, NT1 – đối chứng không được chủng vi khuẩn nhưng trong NT1 vẫn có sự tồn tại của vi khuẩn chuyển hóa nitơ với mật số là khá thấp (khoảng 5,9 log10 CFU/mL).
Hình 7. Ảnh hưởng nguồn carbon đến mật số vi khuẩn chuyển hóa nitơ
Pseudomonas stutzeri (D3b) trong nước rỉ rác .
(NT1: ĐC; NT2: 100% acid acetic; NT3: 25% glucose + 75% acid acetic; NT4: 50% glucose + 50% acid acetic; NT5: 75% glucose + 25% acid acetic; NT6: 100% glucose).
2 3 4 5 6 7 8 9 0 24 48 72 96 168 192 NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 NT6 Mậ t số vi k huẩn ( log 10 C FU /m l)
Thời gian (giờ) CV = 3,35% LSD.01= 0,42
Hình 7 cho thấy mật số vi khuẩn chuyển hóa nitơ ở các nghiệm thức lúc bắt đầu thí nghiệm là xấp xĩ bằng nhau (trừ nghiệm thức NT1 - đối chứng). Sau 24 giờ hầu như mật số ở tất cả các nghiệm thức đều tăng và đạt mật số >108 CFU/mL (trừ NT1 – đối chứng có mật số thấp ~ 106 CFU/mL). Trong đó, các nghiệm thức NT3, NT4, NT5 và NT6 có khác biệt ý nghĩa với 2 nghiệm thức còn lại (NT5 đạt mật số cao nhất), tuy nhiên ở NT2 mật số đã bắt đầu giảm. Sang ngày thứ 2 (48 giờ) thì mật số ở các nghiệm thức bắt đầu giảm, riêng NT4 và NT5 vẫn còn còn tăng nhẹ. Kết quả này cho thấy rằng vi khuẩn chuyển hóa nitơ sinh trưởng mạnh trong 24 giờ sau khi chủng. Bắt đầu thời điểm 48 giờ trở về sau, mật số các nghiệm thức hầu như đều giảm và mật số ở các nghiệm thức NT4, NT5 và NT6 luôn cao hơn và khác biệt ý nghĩa với các nghiệm thức còn lại. Điều này có thể được giải thích như sau:
Sự tăng trưởng của vi khuẩn trải qua 4 giai đoạn: giai đoạn chậm, giai đoạn log, giai đoạn quân bình và giai đoạn chết.
- Giai đoạn chậm: khi vi sinh vật được chuyển từ môi trường cũ (môi trường dinh dưỡng tăng sinh khối) sang môi trường mới thông thường sự tăng trưởng của chúng không bắt đầu ngày mà phải trãi qua giai đoạn chậm vì vi sinh vật cần thời gian để thích nghi với môi trường mới. Giai đoạn chậm trong thí nghiệm này xảy ra nhanh trước 24 giờ vì vi khuẩn chuyển hóa nitơ thích ứng môi trường nước rỉ rác nhanh nên trong thí nghiệm không nhận thấy rõ.
- Giai đoạn log (24 giờ ở các nghiệm thức có chủng vi khuẩn): lúc này khi vi khuẩn đã thích nghi với môi trường mới chứng sẽ tăng trưởng và phân cắt nhanh chóng. Đây là giai đoạn tăng trưởng mạnh nhất của tế bào vi khuẩn. Tuy nhiên cường độ tăng trưởng của giai đoạn này phụ thuộc vào điều kiện môi trường như nhiệt độ, thành phần cấu tạo môi trường và đặc tính di truyền của tế bào vi sinh vật.
- Giai đoạn quân bình (48 giờ ở các nghiệm thức không chủng vi khuẩn): tế bào vi khuẩn không thể cứ tiếp tục tăng trưởng mãi là do các chất dinh dưỡng trong môi trường ngày càng cạn kiệt và lượng chất thải do hoạt động sống của tế bào bài tiết ra càng nhiều.
- Giai đoạn chết (sau 48 giờ ở các nghiệm thức không chủng vi khuẩn): giai đoạn này xảy ra do chất dinh dưỡng ngày càng cạn kiệt và nồng độ chất bài tiết tích lũy trong môi trường ngày càng cao trở nên độc đã giết chết các tế bào tiết ra chứng.
Do đó, để duy trì mật số vi khuẩn chuyển hóa nitơ áp dụng cho việc xử lý đạm trong nước rỉ rác thì trong giai đoạn quân bình – tức sau 48 giờ trong thí nghiệm này cần phải thay thế môi trường mới để giảm nồng độ chất bài tiết và tăng cường chất dinh dưỡng cho vi khuẩn.
Ở thời điểm chủng vi khuẩn ban đầu số lượng vi khuẩn chủng vào nước rỉ rác ở các nghiệm thức gần như bằng nhau (trừ nghiệm thức đối chứng - NT1). Sau 192 giờ khảo sát, cho thấy mật số ở 3 nghiệm thức NT4, NT5 và NT6 đều đạt mật số tốt hơn các nghiệm thức còn lại. Vì vậy, các nghiệm thức với nguồn carbon là: NT4: 50% glucose + 50% acid acetic, NT5: 75% glucose + 25% acid acetic, NT6: 100% glucose – 0% acid acetic được sử dụng để khảo sát khả năng xử lý đạm, lân hòa tan ở thí nghiệm 2 và thí nghiệm 3.
Hiệu quả đường glucose, acid acetic đến khả năng tăng sinh của vi khuẩn tích
lũy phosphate Bacillus subtilis dòng TGT.013L trong nước rỉ rác:
Mật số vi khuẩn tích lũy phosphate trong các nghiệm thức lúc bắt đầu thí nghiệm là xấp xĩ như nhau (khoảng 6,4 log10 CFU/mL). Nghiệm thức đối chứng dù không chủng vi khuẩn tích lũy phosphate nhưng vì trong nước rỉ rác vẫn có vi khuẩn tự nhiên mật số vi khuẩn tích lũy phosphate ở nghiệm thức đối chứng là rất thấp (khoảng 4,4 log10
CFU/mL).
Hình 8. Ảnh hưởng nguồn carbon đến mật số vi khuẩn tích lũy phosphate
Bacillus subtilis (TGT.013L) trong nước rỉ rác.
(NT1: ĐC; NT2: 100% acid acetic; NT3: 25% glucose + 75% acid acetic; NT4: 50% glucose + 50% acid acetic; NT5: 75% glucose + 25% acid acetic; NT6: 100% glucose).
3 4 5 6 7 8 9 0 24 48 96 144 168 192 NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 NT6 CV = 4,14% LSD.01= 0,29 Mậ t số vi k huẩn ( log 10
Từ hình 8 có thể thấy rằng mật số vi khuẩn tích lũy phosphate ở các nghiệm thức sau 192 giờ biến động tương tự mật số vi khuẩn chuyển hóa nitơ: tăng trưởng mạnh sau 24 giờ và bắt giảm sau 48 giờ. Trong 24 giờ đầu sau khi chủng, mật số vi khuẩn ở 3 nghiệm thức NT4, NT5 và NT6 luôn đạt mật số cao hơn và khác biệt có ý nghĩa với các nghiệm thức còn lại. Trong khi ở NT1 – đối chứng thì vẫn có sự tồn tại của vi khuẩn tích lũy phosphate nhưng với mật số thấp và không có sự biến động đáng kể. Sau 48 giờ thì mật số vi khuẩn ở tất cả các nghiệm thức đều giảm do vi khuẩn đã bước vào giai đoạn chết. Ở nghiệm thức NT2 mật số vi khuẩn chỉ tăng nhẹ sau 24 giờ giờ và bắt đầu giảm sau 24 giờ, điều này có thể là do actetic acid làm giảm pH môi trường dẫn đến việc hạn chế sự sinh trưởng của vi khuẩn mặc dù acid actetic là nguồn carbon được vi khuẩn sử dụng hiệu quả nhất vì cấu tạo với 2C nên được sử dụng trưc tiếp vào chu trình TCA (chu trình acid citric). Số liệu cho thấy rằng với nghiệm thức có nguồn carbon có tỉ lệ glucose cao hơn thì vi khuẩn sẽ tăng trưởng mạnh hơn và duy trì mật số tốt hơn nguồn carbon có hàm lượng acid acetic cao. Do đó, các nghiệm thức có tỉ lệ carbon là: NT4 (50% glucose + 50% acid acetic), NT5 (75% glucose + 25% acid acetic), NT6 (100% glucose) được sử dụng để khảo sát khả năng xử lý đạm, lân ở thí nghiệm 2 và thí nghiệm 3.
Hình 8 cho thấy rõ sự biến động rõ nét mật số vi khuẩn ở các nghiệm thức trong 192 giờ, giai đoạn chậm và giai đoạn log trong 24 giờ đầu nên vi khuẩn trưởng mạnh trong 24 giờ sau khi chủng và bắt đầu giảm sau 48 giờ khi chuyển sang giai đoạn quân bình và giai đoạn chết. Đặc biệt là NT4, NT5 và NT6 luôn mật số cao hơn các nghiệm thức còn lại và khác biệt hoàn toàn có ý nghĩa so với nghiệm thức đối chứng – NT1. Riêng nghiệm thức đối chứng NT1 mật số vi khuẩn có xu hướng giảm hoặc bình ổn trong các ngày và thường không có sự biến động lớn, lượng vi khuẩn này có sẵn trong nước rỉ rác ban đầu. Vì vậy, 3 nghiệm thức với nguồn carbon có tỉ lệ glucose cao sẽ được áp dụng để khảo sát khử năng xử lý đạm, lân nước rỉ rác ở các thí nghiệm kế tiếp.
Hiệu quả đường glucose, acid acetic với vi khuẩn chuyển hóa nitơ
Pseudomonas stutzeri dòng D3b và vi khuẩn tích lũy phosphate Bacillus subtilis dòng TGT.013L lên giá trị pH nước rỉ rác:
Hình 9. Ảnh hưởng nguồn carbon với vi khuẩn chuyển hóa nitơ Pseudomonas
stutzeri (D3b) và vi khuẩn tích lũy phosphate Bacillus subtilis (TGT.013L) lên giá trị pH nước rỉ rác.
(NT1: ĐC; NT2: 100% acid acetic; NT3: 25% glucose + 75% acid acetic; NT4: 50% glucose + 50% acid acetic; NT5: 75% glucose + 25% acid acetic; NT6: 100% glucose).
Sự thay đổi giá trị pH trong nước thải có thể dẫn tới những thay đổi về thành phần các chất trong nước do quá trình phân giải, kết tủa, hoặc thúc đẩy hay ngăn chặn những phản ứng hóa học, sinh học các chất hữu cơ xảy ra trong nước.
Chỉ tiêu pH có sự thay đổi rõ rệt theo thời gian trong các nghiệm thức. Lúc bắt đầu thí nghiệm có sự chênh lệch pH giữa các nghiệm thức. Kết quả này là sự ảnh hưởng của nguồn carbon bổ sung ban đầu: NT2 với nguồn carbon là 100% acid acetic (1mL/L) nên làm giảm pH mạnh nhất so với các nghiệm thức còn lại (pH = 7,81), cho nên pH tăng đều từ NT2 đến NT6, còn NT1 – đối chứng có pH (8,34) gần bằng NT6 ( 8,38) với 100% glucose (5g/L). Sau 24 giờ thì pH ở các nghiệm thức NT2, NT3, NT4, NT5 và NT6 có sự trái ngược với thời điểm ban đầu. Cụ thể là pH của NT6 giảm nhiều nhất (pH = 7,14), khác biệt có ý nghĩa với các nghiệm thức còn lại và NT1 – đối chứng, kế tiếp là NT5 và NT4. Trong khi đó, pH ở nghiệm thức NT1, NT2 và NT3 bắt đầu tăng lên (NT1 = 8,74; NT2 = 8,44; NT = 8,15). Sự giảm pH ở các nghiệm thức NT4, NT5 và NT6 có thể được giải thích là do sự hoạt động mạnh của vi khuẩn trong môi trường phân hủy các hợp chất hữu cơ giải phóng CO2, CO2 kết hợp với nước tạo nhiều ion H+ và bicarbonate làm giảm
6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 0 24 48 72 96 168 192 NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 NT6
Thời gian (giờ)
pH hay có thể do trong giai đoạn kỵ khí glucose bị lên men bởi vi khuẩn có trong môi trường tạo thành lactate gây giảm pH môi trường. Sau 48 giờ thì pH ở tất cả cá nghiệm thức đều bắt đầu tăng vớ pH > 8. Sự tăng pH ở các nghiệm thức có thể được giải thích bằng các phản ứng xảy ra như sau:
Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa nitơ tạo NH3 bởi các vi sinh vật (Bitton, 2005):
R – CH(NH2) – COOH + O2 R – COOH + NH3 + CO2 (phản ứng 1) R – CH(NH2) – COOH + 2H+ R – CH3 + NH3 + CO2 (phản ứng 2) R – CH(NH2) – COOH + H2O R – CH2OH + NH3 + CO2 (phản ứng 3)
NH3 lấy H+ trong nước làm giảm ion H+ trong nước:
NH3 + H+ NH4+ (phản ứng 4)
Sự khử NO3- và NO2- bởi vi sinh vật khử nitrat (Laobusnanant et al, 2009): 2NO2- + 6H+ + 6e- N2 + 2OH- + 2H2O (phản ứng 5) 2NO2- + 10 giờ+ + 10e- N2 + 2OH- + 4H2O (phản ứng 6) 6NO3- + 5CH3OH 3N2 + 5CO2 + 7H2O + 6OH- (phản ứng 7)
Phản ứng (1), (2), (3), (4) là sự phân huỷ các chất hữu cơ chứa nitơ bởi hoạt động của các sinh vật trong nước sinh ra các chất như NH3, CO2. Kết quả là giải phóng lượng ion NH4+ và làm tăng lượng pH trong nước. Phản ứng (5) và (6) được thực hiện bởi vi khuẩn khử nitrate cũng góp phần làm tăng tính kiềm, quá trình khử làm tăng giá trị pH trong nước. Cá phản ứng (4), (5), (6) và (7) làm tăng pH của môi trường.
4.1.2. Hiệu quả đường glucose, acid acetic đến khả năng tăng sinh của vi
khuẩn chuyển hóa nitơ Pseudomonas stutzeri dòng D3b và vi khuẩn tích lũy
phosphate Bacillus subtilis dòng TGT.013L trong nước thải chăn nuôi heo:
Hiệu quả đường glucose, acid acetic đến khả năng tăng sinh của vi khuẩn
chuyển hóa nitơ Pseudomonas stutzeri dòng D3b trong nước thải chăn nuôi heo:
Mật số vi khuẩn chuyển hóa nitơ trong các nghiệm thức lúc bắt đầu thí nghiệm xấp xĩ bằng nhau (khoảng 7,4 log10 CFU/mL). Mật số vi khuẩn chuyển hóa nitơ trong nghiệm thức đối chứng là khá thấp (khoảng 5,9=4 log10 CFU/mL).
Hình 10. Ảnh hưởng nguồn carbon đến mật số vi khuẩn chuyển hóa nitơ
Pseudomonas stutzeri (D3b) trong nước thải chăn nuôi heo .
(NT1: ĐC; NT2: 100% acid acetic; NT3: 25% glucose + 75% acid acetic; NT4: 50% glucose + 50% acid acetic; NT5: 75% glucose + 25% acid acetic; NT6: 100% glucose).
Hoạt động của vi khuẩn trong nước thải chăn nuôi heo cũng xảy ra tương tự với thí nghiệm với nước rỉ rác, mật số vi khuẩn ở các nghiệm thức với nước thải chăn nuôi heo tăng mạnh trong 24 giờ đầu (trừ NT1 và NT2), sau 48 giờ thì bắt đầu giảm dần. Riêng NT6 sau 78h tăng mạnh trở lại nhưng lại giảm các ngày sau đó. Mật số vi khuẩn nghiệm thức đối chứng – NT1 hầu như không có sự biến động nhiều, mật số chỉ dao động khoảng 5 log10CFU/mL. Mật số ở 3 nghiệm thức NT4, NT5 và NT6 ở các ngày luôn cao hơn và có khác biệt ý nghĩa với các nghiệm thức còn lại.
Hiệu quả đường glucose, acid acetic đến khả năng tăng sinh của vi khuẩn tích
lũy phosphate Bacillus subtilis dòng TGT.013L trong nước thải chăn nuôi heo:
Mật số vi khuẩn tích lũy phosphate trong các nghiệm thức lúc bắt đầu thí nghiệm là xấp xĩ như nhau (khoảng 6,3 log10 CFU/mL). Trong khí đó mật số vi khuẩn tích luỹ phosphate ở nghiệm thức đối chứng là rất thấp (khoảng 5,3 log10 CFU/mL).
3 4 5 6 7 8 9 10 0 24 48 72 96 120 144 168 192 NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 NT6 CV = 3,60% LSD.01= 0,49 Mật số vi k huẩn (l og10 C FU /m l)
Hình 11. Ảnh hưởng nguồn carbon đến mật số vi khuẩn tích lũy phosphate
Bacillus subtilis (TGT.013L) trong nước thải chăn nuôi heo.
(NT1: ĐC; NT2: 100% acid acetic; NT3: 25% glucose + 75% acid acetic; NT4: 50% glucose + 50% acid acetic; NT5: 75% glucose + 25% acid acetic; NT6: 100% glucose).
Mật số vi khuẩn tích luỹ phosphate có sự biến động giống với mật số vi khuẩn chuyển hoá nitơ: tăng trưởng mạnh trong 24 giờ đầu và bắt đầu giảm dần sau 48 giờ. Riêng NT8 mật số vi khuẩn tiếp tục tăng tới 78h và sau đó giảm. Nghiệm thức đối chứng – NT1 mật số ổn định sau 120 giờ nhưng có dấu hiệu giảm mạnh ở 48 giờ kế tiếp. Nguyên nhân có thể là do thao tác thí nghiệm dẫn đến kết quả sai số. Các nghiệm thức NT4, NT5 và NT6 luôn đạt mật số cao và khác biệt có ý nghĩa với các nghiệm thức còn lại hầu hết ở các thời gian. Điều đó chứng minh rằng các nghiệm thức với nguồn carbon có tỉ lệ % glucose cao vi khuẩn sẽ sinh trưởng mạnh hơn với nguồn carbon có tỉ lệ % acid acetic cao hơn.
Hiệu quả đường glucose, acid acetic với vi khuẩn chuyển hóa nitơ
Pseudomonas stutzeri dòng D3b và vi khuẩn tích lũy phosphate Bacillus subtilis dòng TGT.013L lên giá trị pH nước thải chăn nuôi heo:
2 3 4 5 6 7 8 9 0 24 48 72 96 120 144 168 192 NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 NT6 Mậ t số vi k huẩn ( log 10 C FU /m l)
Thời gian (giờ) CV = 4,20% LSD.01= 0,52
Hình 12. Ảnh hưởng nguồn carbon với vi khuẩn chuyển hóa nitơ
Pseudomonas stutzeri (D3b) và vi khuẩn tích lũy phosphate Bacillus subtilis
(TGT.013L) lên giá trị pH nước thải chăn nuôi heo.
(NT1: ĐC; NT2: 100% acid acetic; NT3: 25% glucose + 75% acid acetic; NT4: 50% glucose + 50% acid acetic; NT5: 75% glucose + 25% acid acetic; NT6: 100% glucose).
Cũng tương tự như nước rỉ rác, do ảnh hưởng lượng acid acetic bổ sung vào nên pH của các nghiệm thức NT2, NT3, NT4 và NT5 đều giảm thấp hơn pH nghiệm thức đối chứng. Sau 24 giờ thì do ảnh hưởng hoạt động mạnh của vi khuẩn, sự thủy phân các hợp chất hữu cơ và quá trình lên men lactic của glucose ở pha kỵ khí nên pH các nghiệm