Sự thành công trong vận hành các thiết bị kỵ khí không chỉ đòi hỏi một lượng lớn cổ khuẩn sinh metan mà còn là sự đa dạng của chúng [54]. Bước chuyển hóa vật chất này là bước quan trọng nhất trong toàn bộ con đường chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành metan. Trong các ngành vi sinh vật được phát hiện trong các loại bùn, có 3 ngành cổ khuẩn sinh metan là:
Euryachaeota, Parvarchaeota và Crenarchaeota. Ngành Parvarchaeota và Crenarchaeota
chiếm một tỷ lệ rất nhỏ từ 0,10% – 0,30%. Các nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng mặc dù xuất hiện các ngành Parvarchaeota và Crenarchaeota nhưng tỷ lệ các cổ khuẩn thuộc ngành
Euryacheaota vẫn chiếm số lượng áp đảo [33]. Trong nghiên cứu này, ngành Euryacheaota là ngành cổ khuẩn chiếm ưu thế trong tất cả các mẫu bùn với tỷ lệ tăng dần trong quá trình hình thành bùn hạt (kết quả hình 3.11). Tuy nhiên với mong muốn hiểu rõ về sự thay đổi của các nhóm cổ khuẩn có mặt trong ngành này, chúng tôi đã tiến hành phân tích trình tự gen 16S rRNA của các nhóm cổ khuẩn chiếm ưu thế trong mẫu bùn phân tán đã hoạt hóa và các mẫu bùn hạt. Kết quả về thành phần cổ khuẩn trong các mẫu bùn được biểu diễn trên hình 3.19.
80
Hình 3.10. Các nhóm cổ khuẩn chiếm ưu thế trong ngành Euryacheaota
Kết quả chỉ ra rằng, bùn phân tán sau hoạt hóa chứa đầy đủ các nhóm chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành metan. Các nhóm chiếm ưu thế trong mẫu bùn này là chi Methanosaeta, chi
Methanosarcina, chi Methanobacterium, loài Candidatus methanoregula và nhóm chưa phân loại Methanomicrobiales với tỷ lệ lần lượt là 1,2%, 1,1%, 0,6%, 2,1% và 1,6%. Các loài thuộc chi Methanosaeta chỉ sử dụng axetat trong quá trình metan hóa [112]. Chi Methanosarcina có chức năng chuyển hóa cơ chất axetat, metanol, monomethylamin, dimethylamin, trimethylamin, H2/CO2 và CO thành metan [112]. Các loài thuộc chi Methanobacterium
chuyển hóa H2/CO2, format, alcohol và CO [52]. Nhóm chưa phân loại Methanomicrobiales và loài Ca. methanoregula sử dụng H2/CO2 vàformat. Như vậy, các nhóm cổ khuẩn sinh metan đều xuất hiện trong hệ bùn sau quá trình hoạt hóa với tính đa dạng cao. Tuy nhiên khi tạo bùn hạt dưới các điều kiện khác nhau thì cấu trúc tập hợp cổ khuẩn đã thay đổi. Khi tăng OLR, tất cả các loài thuộc chi Methanosaeta, Methanosarcina, Methanobacterium, loài Ca.
81
methanoregula và nhóm chưa phân loại Methanomicrobiales đều xuất hiện với tỷ lệ lần lượt là 2,39 %, 0,21%, 3,07%, 1,10% và 2,50%. So với bùn phân tán đã hoạt hóa các loài thuộc chi
Methanosaeta, Methanobacterium vànhóm chưa phân loại Methanomicrobiales đã tăng đáng
kể trong khi các loài thuộc chi Methanosarcina và loài Ca. methanoregula đều giảm nhẹ. Khi bổ sung 300 mg-AlCl3/L, các loài thuộc chi Methanosaeta, Methanosarcina, Methanobacterium, loài Ca. methanoregula và nhóm chưa phân loại Methanomicrobiales
cũng xuất hiện với tỷ lệ lần lượt là 2,70%, 2,30%, 0,90%, 0,20% và 1,40%. So với bùn hạt khi tăng OLR các loài thuộc chi Methanosaeta và Methanosarcina tăng trong khi đó các loài khác đều giảm. Khi bổ sung rỉ đường, chi Methanosaeta và Methanobacterium chiếm ưu thế với số lượng vượt trội. Chi Methanosaeta chiếm 12,96%, chi Methanobacterium chiếm 5,08% trong khi đó chi Methanosarcina chỉ chiếm 0,02%, nhóm không nuôi cấy được Methanomicrobiales
chiếm 0,45% và loài Ca. methanoregula chiếm 0,05%. Người ta cho rằng nồng độ axetat thấp là kết quả của tốc độ chuyển hóa COD cao đã thúc đẩy sự xuất hiện của loài thuộc chi
Methanosaeta thay thế chi Methanosarcina trong nhóm methanogen sử dụng axetat. Điều này có thể do ở nồng độ axetat thấp nên các loài thuộc chi Methanosaeta có một lợi thế cạnh tranh so với các loài thuộc chi Methanosarcina [101]. Nhìn chung, chi Methanosaeta tồn tại trong trung tâm hạt và có tầm quan trọng trong việc hình thành hạt bùn.
Các loài thuộc chi Methanosaeta được tìm thấy trong tất cả các mẫu bùn nghiên cứu. Tỷ lệ các loài thuộc chi Methanosaeta trong bùn hạt khi bổ sung rỉ đường (12,96%) vượt trội so với bùn hạt khi bổ sung AlCl3 (2,70%), bùn hạt khi tăng OLR (2,14%) và trong bùn phân tán đã hoạt hóa (1,20%). Chi Methanosaeta là một trong hai chi quan trọng nhất của nhóm acetotrophic (chi còn lại là Methanosarcina). Chi Methanosaeta chiếm ưu thế trong tâm hạt dưới điều kiện cơ chất hỗn hợp VFA hoặc nồng độ axetat thấp trong khi chi Methanosarcina
và các thành viên thuộc bộ Methanobacteriales tồn tại tương ứng dưới nồng độ axetat và format cao. Tỷ lệ phát triển của chi Methanosaeta thấp hơn chi Methanosarcina khi nồng độ axetat cao hơn gấp 5 – 10 lần. Mặc dù cả chi Methanosaeta và Methanosarcina được xác định cùng xuất hiện trong các loại hạt bùn ở các điều kiện xử lý khác nhau nhưng do nồng độ axetat ở hầu hết các thiết bị xử lý kỵ khí thấp nên sự phát triển của các loài thuộc chi
Methanosarcina chậm hơn. Do đó chi Methanosaeta đã chiếm ưu thế trong các thiết bị UASB xử lý ổn định [83]. Tuy nhiên tỷ lệ các loài thuộc chi Methanosaeta trong bùn hạt cao hơn bùn phân tán và chúng vẫn ở mức cao khi hàm lượng axetat trong UASB quá tải [42, 101]. Chi
Methanosaeta có cấu trúc tiêm mao dạng sợi (filiforms) nên dễ dàng bám dính với các vi sinh vật khác để hình thành nên hạt bùn [150]. Các loài thuộc chi Methanosaeta xuất hiện trong các hệ thống xử lý sinh học, giúp cải thiện quá trình hình thành bùn hạt và giúp ổn định hiệu quả xử lý [70, 83]. Các loài thuộc chi Methanosarcina chiếm tỷ lệ cao trong bùn hạt khi bổ sung AlCl3 (2,3%), trong bùn phân tán đã hoạt hóa tỷ lệ loài này thấp hơn (1,1%), trong các loại
82
bùn hạt khác tỷ lệ loài thuộc chi này không đáng kể. Kết quả này tương đồng với nghiên cứu trước đó của Yu và cộng sự (2001). Chi Methanosarcina có cấu trúc tụ cầu [150]. Hơn nữa cùng với chi Methanosaeta (2,7%) được phát hiện trong bùn hạt khi bổ sung AlCl3, 2 chi này đóng vai trò chủ chốt trong quá trình hình thành bùn hạt [70]. Mặc dù chi Methanosarcina
cạnh tranh cơ chất với chi Methanosaeta nhưng chi Methanosarcina sử dụng hidro và cacbonic, làm giảm áp lực, hỗ trợ các loài thuộc chi Methanosaeta (nhạy cảm với hidro) có thể phát triển tốt trong môi trường chứa hdro [33]. Chi Methanosarcina có khả năng chống chịu với sự thay đổi pH tốt hơn so với các loài methanogen khác [100] nhưng tỷ lệ tăng trưởng của các loài thuộc chi Methanosarcina ở pH dòng vào trung tính cao hơn ở pH dòng vào axit (pH dòng vào cho mẫu bùn phân tán đã hoạt hóa và mẫu bùn hạt khi bổ sung AlCl3 là trung tính). Việc thay thế chức năng chuyển hóa H2/CO2 của các loài thuộc chi Methanosarcina trong 2 mẫu bùn có pH dòng vào thấp là chi Methanobacterium. Tỷ lệ các loài thuộc chi
Methanobacterium trong các mẫu bùn hạt khi tăng OLR và mẫu bùn hạt khi bổ sung rỉ đường
lần lượt là 3,07% và 5,08%. Chi Methanobacterium thường xuất hiện bên cạnh chi
Methanosaeta khi trong hệ thống xảy ra sự chuyển hóa mạnh mẽ axetat đến metan. Người ta
cho rằng chi Methanobacterium giúp giảm áp lực của hidro và CO2 trong hệ thống tạo điều kiện cho chi Methanosaeta phát triển thống [83, 150]. Các loài thuộc chi Methanobacterium
sản sinh ECP nên chúng còn đóng vai trò liên kết các vi sinh vật với nhau, thúc đẩy sự hình thành bùn hạt [177]. Nếu các loài thuộc chi này không sống sót trong hệ thống do thiếu hụt hidro có thể ảnh hưởng đến quá trình tạo hạt bùn [70]. Nhóm chưa phân loại
Methanomicrobiales xuất hiện trong mẫu bùn phân tán đã hoạt hóa, bùn hạt khi tăng OLR, khi bổ sung AlCl3 và khi bổ sung rỉ đường với tỷ lệ lần lượt là 1,60%; 1,10%; 1,40% và 0,45%. Nhóm chưa phân loại Methanomicrobiales cũng có thể sử dụng H2/CO2 và hỗ trợ chi
Methanosaeta phát triển tốt [83]. Loài Ca. methanoregula xuất hiện trong mẫu bùn phân tán đã hoạt hóa (2,09%), bùn hạt khi tăng OLR (2,50%), bùn hạt khi bổ sung AlCl3 (0,02%) và bùn hạt khi bổ sung rỉ đường (0,05%). Ca. methanoregula được phân lập từ hạt bùn phân hủy propionat trong hệ thống UASB [188]. Chúng cũng xuất hiện trong hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia, nhà máy đồ hộp, nhà máy sữa và nước thải chứa hydratcacbon [83, 101]. Chúng là loài sử dụng H2/CO2 và format [101].
Như vậy, khi thay đổi các điều kiện vận hành hệ thống tập hợp vi sinh vật đã thay đổi đáng kể. Trong quá trình hình thành bùn hạt loài Methanosaeta đóng vai trò chủ chốt. Loài này sống cộng sinh với các loài thuộc chi Methanosarcina hoặc Methanobacterium và được chúng hỗ trợ trong quá trình phát triển. Chi Methanosarcina tăng lên khi dòng vào ở pH trung tính. Khi pH dòng vào thấp hơn chi Methanosarcina được thay thế bằng chi
83
sinh vật trong quá trình hình thành bùn hạt kỵ khí, tuy nhiên thời gian hình thành bùn hạt được rút ngắn khi tỷ lệ các loài trong chi Methanosaeta vượt trội.
Tóm lại, bùn hạt được hình thành trong các điều kiện vận hành khác nhau với các đặc tính và sự đa dạng vi sinh vật khác nhau. Nhìn chung, các cổ khuẩn sinh metan chiếm tỷ lệ cao trong các loại bùn hạt là chi Methanosaeta, Methanosarcina, Methanobacterium, nhóm chưa phân loại Methanomicrobiales và loài Ca. methanoregula. Việc tăng OLR, bổ sung AlCl3 và bổ sung rỉ đường đều ảnh hưởng đến việc lựa chọn các nhóm vi sinh vật chiếm ưu thế khác nhau. Chi Methanosaeta giúp cải thiện quá trình hình thành bùn hạt thông qua việc tạo cầu nối giữa các tế bào cổ khuẩn bằng các tiêm mao trên bề mặt tế bào. Chi Methanobacterium hỗ trợ chi Methanosaeta phát triển bằng việc giảm áp lực H2/CO2. Ngoài ra, chúng còn có khả năng sinh ECP giúp liên kết các tế bào vi sinh vật, thúc đẩy việc hình thành các cụm tế bào và rút ngắn thời gian tạo bùn hạt. Một số nhóm vi khuẩn khác nhau cũng hỗ trợ cho nhóm methanogen trong quá trình hình thành các loại bùn hạt khác nhau.
3.3.3. Dự đoán vai trò của các nhóm vi sinh vật trong bùn hạt bổ sung rỉ đường
Dựa vào thành phần vi sinh vật chiếm ưu thế trong bùn hạt tham gia vào con đường chuyển hóa kỵ khí nước thải sơ chế mủ cao su (bảng 3.7) và các công bố về vai trò của các vi sinh vật trong con đường chuyển hóa vật chất hữu cơ. Chúng tôi đã đề xuất sơ đồ quần xã vi sinh vật tham gia vào quá trình phân hủy kỵ khí và hình thành bùn hạt trong hình 3.20.
Hình 3.11. Quần xã vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hóa và hình thành bùn hạt Protein
Axit amin
Hydratcacbon
Axetat Propionat, lactat
CO2 H2 Metan format Corynebacterium Bacteroidales Bacteroidales Acinetobacter johnsonii Methanobacterium
Methanosaeta Nhóm chưa phân loại Methanomicrobiales
Anaerolinceae Chất béo Clostridiacea e Comamonas Syntrophomonadaceae Bacteroidales
84
Hình 3.20 chỉ ra các nhóm vi sinh vật chiếm ưu thế trong bùn hạt khi bổ sung rỉ đường là họ Bacteroidale, họ Clostridiaceae, họ Syntrophomonadaceae, họ Anaerolinceae, chi
Corynebacterium, chi Comamonas, chi Methanobacterium, chi Methanosaeta và loài A. johnsonii. Việc bổ sung 1g/L rỉ đường vào nước thải sơ chế mủ cao su đã thúc đẩy sự phát triển của các loài vi sinh vật có vai trò quan trọng trong việc hình thành bùn hạt.
Về đặc điểm chuyển hóa vật chất, các bước chuyển hóa trên sơ đồ này có nhiều điểm tương đồng với các bước chuyển hóa của các con đường khác đã công bố [101]. Tuy nhiên, trên sơ đồ này xuất hiện chi Corynebacterium và loài A. johnsonii. Đây là các loài vi sinh vật mới xuất hiện trong sơ đồ chuyển hóa của bùn kỵ khí. Các loài thuộc chi Corynebacterium có chức năng tổng hợp axit amin, phân giải glucoza thành lactat, axetat, succinat và khử nitrat thành nitrit. Ngoài ra chúng còn có chức năng khử các hợp chất mang màu. Loài A. johnsonii
có chức năng phân giải các chất béo, axit béo và tích tụ photpho. Bề mặt tế bào của loài A. johnsonii có tính kỵ nước lớn nên thúc đẩy việc hình thành các cụm tế bào [17].
Khi nắm bắt được các thông tin về tập hợp vi sinh vật tham gia vào con đường chuyển hóa vật chất và hình thành bùn hạt hy vọng rằng thời gian hình thành bùn hạt có thể được rút ngắn bằng cách điều khiển sự phát triển của các loài vi vinh vật này với một tỷ lệ thích hợp thông qua việc điều chỉnh cơ chất và kiểm soát các điều kiện vận hành hệ thống UASB.