Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp………………….. 20 Trong rác thải các hydratcacbon chiếm tỷ trọng lớn bởi nó là thành phần chính trong sinh khối thực vật. Rác thải hữu cơ thường chứa các thành phần như: xenluloza, hemixenluloza, lignin, tinh bột với các tỷ lệ khác nhau tùy mỗi loại thực vật [17, 23].
a, Xenluloza
Xenluloza là một trong những thành phần chủ yếu của các tổ chức thực vật. Hàm lượng xenluloza trong sinh khối thực vật thay đổi tùy loàị Xenluloza là hợp chất polysaccarit cao phân tử rất bền vững, cấu tạo bởi rất nhiều gốc glucoza, liên kết với nhau nhờ dây nối β 1,4-glucozit [31].
Hình 2.2. Hình ảnh hợp chất cao phân tử xenluloza
Mầu nâu - cacbon, màu đỏ - oxy, màu trắng - hydro
Trong tự nhiên có nhiều loại vi sinh vật có khả năng sinh ra các enzym làm xúc tác trong q trình phân giải xenlulozạ Chúng có ý nghĩa rất lớn đối với việc thực hiện vịng tuần hồn cacbon trong tự nhiên, góp phần quan trọng trong việc nâng cao độ phì nhiêu của đất. Trong điều kiện tự nhiên thống khí xenluloza có thể bị phân giải dưới tác dụng của nhiều vi sinh vật hiếu khí. Các lồi vi khuẩn như: Achromobacter, Pseudomonas, Cellulomonas, Vibrio, Cellvibrio, Bacillus, Cytophaga, Angiococcus, Polyangium, Sporocytophaga, Sorangium, Archangium, Promyxobacterium; xạ khuẩn như Micromonospora,
Proactino-myces, Actinomyces, Streptomyces, Streptosporangium… Nhưng
trong thực tế, người ta thấy Bacillus, Fravobacterium và Pseudomonas là các lồi phân lập được có tần suất cao nhất. Ngồi các vi khuẩn hiếu khí cịn có một số vi khuẩn kị khí có khả năng tham gia vào quá trình phân giải xenlulozạ
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp………………….. 21
Người ta gọi q trình phân giải xenluloza kị khí là quá trình lên men xenlulozạ Điển hình là vi khuẩn trong khu hệ vi sinh vật trong dạ cỏ động vật nhai lại:
Ruminococcus flavefeciens, R. albus, R. parvum, Bacteroides succinpgenes, Butyrivibrio fibrisolvens, Clostridium cellobioparum, Cillobacterium cellulosolvens,… [17].
Hình 2.3. Sơ đồ thuỷ phân xenluloza bởi phức hệ xenlulaza G- glucoza
(1): Thuỷ phân do tác dụng của exo – glucanaza; (2): Thuỷ phân do tác dụng phối hợp của endo - glucanaza, xenlobiohydrolaza và xenlobiaza; (3): Thuỷ phân trước
tiên bởi endo – glucanaza sau đó bởi exo - glucanaza
Cơ chế phân giải xenluloza (hình 2.3) trải qua nhiều giai đoạn, với sự tham gia của phức hệ xenlulaza gồm chủ yếu là các loại: Endo-glucanaza, exo-glucanaza và β-glucozidaza [25]. Quá trình sinh tổng hợp xenlulaza của vi sinh vật phụ thuộc vào thành phần môi trường, điều kiện nuôi cấy của các sinh vật nàỵ Xenluloza là cơ chất đóng vai trị chất cảm ứng cho tổng hợp xenlulaza đối với nhiều loại vi sinh vật. Trong xử lý rác thải sinh hoạt, việc tìm ra các chủng vi sinh vật có khả năng phân huỷ nhanh mạnh xenluloza là việc quan trọng đầu tiên, cần thiết để thúc đẩy nhanh quá trình phân huỷ rác thảị
Hầu hết các vi sinh vật này đều sinh ra xenlulaza thuỷ phân xenluloza thành bioxenluloza và sau đó thành đường đơi, đường đơn. Các đường này trở
Endoglucanaza Xenluloza (2) Endo-glucanaza + xenlobiohydrolaza Gn G1 G Xenlobiohydrolaza (1) Exo-glucanaza (3) Exo-glucanaza
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp………………….. 22 thành nguồn cung cấp năng lượng cho quá trình trao đổi chất và sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật.
b, Hemixenluloza (xylan)
Trong tế bào thực vật, hemixenluloza đứng thứ hai về khối lượng. Trong thành phần của hemixenluloza có nhiều loại đường khác nhaụ Chính vì vậy, tên của chúng thường được gọi theo tên của một loại đường chủ yếu nào đó có trong thành phần của chúng. Khối lượng phân tử của hemixenluloza nhỏ hơn xenluloza rất nhiều, chúng chỉ khoảng 150 gốc đường đơn. Các gốc đường này được nối với nhau bằng các liên kết β-1,4; β-1,3; β-1,6-glucozit. Các hemixenluloza thường tạo mạch ngắn và phân nhánh, so với xenluloza thì hemixenluloza có cấu trúc khơng chặt chẽ, dễ bị phân giải bởi kiềm yếu và axit yếu, đơi khi cịn bị phân giải trong nước nóng [31]. Trong số các loại hemixenluloza thì xylan có nhiều trong thiên nhiên: Trong rơm rạ xylan chiếm khoảng 15 ÷ 20 %, trong bã mía chiếm 30%, trong gỗ thơng chiếm 7 ÷ 12 %, trong các loại lá rộng chiếm 20 ÷ 25 % khối lượng khơ. Có nhiều loại vi sinh vật có khả năng phân giải xylan. Các vi sinh vật có khả năng phân giải xenluloza khi sản sinh ra xenlulaza thường sinh ra xylanazạ Một số loại vi sinh vật có khả năng phân giải xylan như: Bacillus, Aspergillus, Clostridium,
Streptomyces [17]. c, Lignin
Lignin là một phức hợp chất hóa học phổ biến được tìm thấy trong hệ mạch thực vật, chủ yếu là giữa các tế bào, trong thành tế bào thực vật. Lignin là một trong các polymer hữu cơ phổ biến nhất trên trái đất. Lignin có cấu trúc khơng gian 3 chiều, phức tạp, vơ định hình, chiếm 17 % đến 33 % thành phần của gỗ. Lignin không phải là carbonhydrat nhưng có liên kết chặt chẽ với nhóm này để tạo nên màng tế bào giúp thực vật cứng chắc và giịn, có chức năng vận chuyển nước trong cơ thể thực vật (một phần là để làm bền thành tế bào và giữ cho cây khơng bị đổ, một phần là điều chỉnh dịng chảy
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp………………….. 23 của nước), giúp cây phát triển và chống lại sự tấn công của côn trùng và mầm bệnh. Thực vật càng già thì lượng lignin tích tụ càng lớn.
Lignin là hợp chất cao phân tử được cấu thành từ dẫn xuất của ba loại rượu chủ yếu: trans-P-cumarylic, trans-conferylic và trans- siparilic, nhưng tùy theo từng loại thực vật mà tỷ lệ ba thành phần này khác nhaụ
Hình 2.4. Các đơn vị cơ bản của lignin
Trong tự nhiên, lignin bị phân huỷ bởi một số loại nấm. Trong đó đáng chú ý là các lồi thuộc nhóm nấm mục trắng và nâụ Những vi khuẩn đất được biết có khả năng phân giải lignin thường thuộc về các chi Achrmobacter và Pseudomonas. Nhiều lồi xạ khuẩn cũng có khả năng phân huỷ lignin [23].
d, Tinh bột
Tinh bột là một cacbonhydrat cao phân tử bao gồm các đơn vị D-glucozơ nối với nhau bởi liên kết α-glucozit. Công thức phân tử gần đúng là (C6H10O5)n trong đó n có giá trị từ vài trăm đến khoảng mười nghìn. Tinh bột có dạng hạt màu trắng tạo bởi hai loại polyme là amilozơ và amilopectin. Amilozơ là polyme mạch thẳng gồm các đơn vị D- glucozơ liên kết với nhau bởi liên kết α-1,4- glucozit. Amilopectin là polyme mạch nhánh, ngoài chuỗi glucozơ thơng thường cịn có những chuỗi nhánh liên kết với chuỗi chính bằng liên kết α- 1,6-glucozit [31].
Trong tự nhiên, tinh bột là thành phần chủ yếu của các loại ngũ cốc, củ, quả. Hàm lượng tinh bột có trong hạt và củ là 40 ÷ 70 %, trong các phần khác của cây là 4 ÷ 25 %. Chúng đóng vai trị là nguồn dự trữ năng lượng cho
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp………………….. 24 quá trình nảy mầm của hạt, và là nguồn lương thực chủ yếu của con ngườị Enzym thủy phân tinh bột phân hủy chủ yếu liên kết α-glucozit. Nhóm enzyme này gồm các enzyme: α-amylaza, β-amylaza, glucoamylaza, dextrinazạ Rất nhiều vi sinh vật có khả năng có khả năng phân giải mạnh mẽ tinh bột, đó là vi khuẩn Bacillus, Pseudomonas, Athrobacter, Achromobacter,
Agrobacterium… e, Pectin
Pectin là một polysaccharide tồn tại phổ biến trong thực vật, là thành phần tham gia xây dựng cấu trúc tế bào thực vật. Ở thực vật pectin tồn tại chủ yếu ở 2 dạng là pectin hịa tan và protopectin khơng hịa tan. Dưới tác dụng của axit, protopectinaza hoặc khi gia nhiệt thì protopectin chuyển thành pectin.
Pectin là hợp chất cao phân tử polygalactoronic có đơn phân tử là galactoronic và rượu metylic. Trọng lượng phân tử từ 20.000 ÷ 200.000 đvC. Hàm lượng pectin 1 % trong dung dịch có độ nhớt cao, nếu bổ sung 60 % đường và điều chỉnh pH mơi trường từ 3,1 ÷ 3,4 sản phẩm sẽ tạo đơng.
Cấu tạo phân tử pectin là một dẫn xuất của acid pectic. Acid pectic là một polymer của acid D-galacturonic liên kết với nhau bằng liên kết 1-4- glycozidẹ
Hình 2.5. Cấu tạo pectin
Pectin khơng tan được trong phần lớn chất hữu cơ, nhưng tan trong amoniac, kiềm, etylendiamin, trong glyxerin nóng. Tuy hàm lượng chỉ chiếm khoảng 5% trong thành tế bào nhưng chúng là một trong những thành phần cơ bản của tế bào thực vật. Cùng với lignin, xenluloza, pectin tham gia vào việc
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp………………….. 25 hình thành nên “ bộ xương” của thực vật, điều chỉnh độ ẩm và trạng thái của tế bào thực vật. Ngoài các hydratcacbon cao phân tử trên, cịn có các loại đường: đường đơi như maltoza; đường đơn như glucoza, fructoza ... Vi sinh vật dễ dàng hấp thụ các loại đường và chuyển hoá qua các chuỗi phản ứng hoá học. Nhờ vào quá trình phân giải này, các chất dinh dưỡng được đồng hố để ni cơ thể và cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của vi sinh vật [17, 25, 31].