Quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ trải qua nhiều công đoạn phức tạp với sự tham gia của các loài vi sinh vật kỵ khí khác nhau bao gồm các động vật nguyên sinh, nấm, tảo và vi khuẩn. Tuy nhiên ở những giai đoạn cuối, bắt đầu từ lên men, acid hóa, vai trò chủ đạo thuộc về các vi khuẩn.
Các vi khuẩn kỵ khí được chia làm ba nhóm chính, bao gồm : - Các vi khuẩn sinh acetat (acetogenic bacteria – AB); - Các vi khuẩn sinh methan (methanogenic bacteria – MB); - Các vi khuẩn khử sulfat (sulfat reducing bacteria – SRB) [5].
Các vi khuẩn sinh acetate
Các vi khuẩn sinh acetate (acetogens) thuộc nhóm vi khuẩn kỵ khí sinh acid (acidogens). Có 2 cơ chế hình thành acetate (acetogenesis): hydro hóa và dehydro hóa.
Quá trình dehydro hóa tạo acetate (acetogenic dehydrogenation)
Quá trình dehydro hóa tạo acetate là phản ứng trong đó cơ chất oxy hóa xảy ra cùng với quá trình khử proton và sản phẩm cuối cùng là hydrogen và acetate (hoặc chuỗi acid béo mạch thẳng). Quá trình này được thực hiện bởi 2 nhóm vi sinh vật được chia thành:
- Các vi khuẩn khử proton bắt buộc: chuyển hóa cơ chất thành acetat và methane;
- Các vi khuẩn lên men (vi khuẩn khử proton tùy tiện): hoạt động như các chất khử proton thông qua cơ chế tách hydro ra khỏi cơ chất và chuyển đến chất nhận điện tử cuối cùng là chất hữu cơ. Sản phẩm của phản ứng ngoài H2 còn có thêm các sản phẩm oxy hóa khác.
Để phân biệt hai nhóm vi sinh vật này phải dựa trên cơ chất được sử dụng và năng lượng tạo ra.
Quá trình oxy hóa cơ chất của vi sinh vật lên men tạo ra một năng lượng đáng kể. Năng lượng này đạt tối đa nếu H2 được hình thành. Nhưng khi nồng độ H2 tăng lên sẽ ức chế sự hình thành H2 tiếp tục, khi đó các vi sinh vật tạo ra các sản
26
phẩm khử hữu cơ khác có năng lượng như quá trình lên men.
Năng lượng của quá trình oxy hóa bởi vi khuẩn khử bắt buộc tương đối nhỏ, nồng độ H2 tạo thành thấp. Lúc nồng độ H2 tăng, sự oxy hóa trở thành quá trình thu nhiệt. Vi khuẩn khử proton chỉ sử dụng một lượng nhỏ năng lượng của cơ chất để tạo ra một vài sản phẩm oxy hóa khử [5].
Bảng 1.7: Các loại vi khuẩn khử bắt buộc [12]
Vi sinh vật Cùng phát triển với Nguồn/môi trƣờng sống Cơ chất Syntrophobact er wolinii Desulfovibrio G11, M.Hungatei JF1 với D.G11
Bể phân hủy bùn Axít propionic
Syntrophomon as wolfei Desulfovibrio G11, M.Hungatei JF1 Bể phân hủy bùn, trầm tích Axít béo Monocarbonxylic bão hòa (C=14-18) Syntrophus buswellii Desulfovibrio G11, M.Hungatei JF1 với D.G11 Cặn, trầm tích, vùng nước ngọt, nước biển, bể phân hủy bùn Axít benzoic Clostridium bryantii Desulfovibrio E70, M.Hungatei M1h
Bể phân hủy bùn Axít béo
Monocarbonxylic (C=1-11 )
Strain Gra I val Desulfovibrio E70 Cặn trầm tích ở vùng biển
Axít isovalenric
Strain Go I val Desulfovibrio (Marburg)
Bể phân hủy bùn Axít isovalenric
Strains SF-1 và NSF-2
M. Hungatei hoặc
Desulfovibrio sp
Bể phân hủy bùn Axít béo bão hòa Monocarbonxylic (C=4-6)
Strain BZ-2 Desulfovibrio PS-I hoặc
Methanospirillum PM-I với
Desulfovibrio PS-I
Bể phân hủy bùn Axít benzoic
27
Là quá trình lên men đồng hình acetate (homoacetate fermentation), chỉ tạo ra sản phẩm duy nhất là acetate. Trong quá trình lên men đồng hình acetate của hexoses, có các phản ứng xảy ra:
C6H12O6 +H2O CH3COCOOH + CH3COOH + CO2 +6H;
CH3COCOOH + CO2 + 6H 2CH3COOH + H2O
Quá trình hydro hóa acetogenic xảy ra không chỉ với những cơ chất nội sinh mà còn với những cơ chất ngoại sinh như CO2 và H2
2 CO2 + 4H2 CH3COOH + 2H2O
Các vi khuẩn được liệt kê ở đây đều là những vi khuẩn có khả năng lên men đường thành acetic acid. Khả năng tiêu thụ hydro để hình thành acetate của những vi sinh vật đó trong môi trường tự nhiên không rõ ràng đặc biệt không có vi sinh vật chỉ chuyên đảm nhiệm việc chuyển hóa hydrogen và carbon dioxide thành acetate .
Bảng 1.8: Vi khuẩn sinh acetat [12]
Sinh vật Phƣơng pháp Nguồn
Acetobacterium wieringae Cấy trên aga trong chai Bể phân hủy bùn
Acetobacterium woodii Làm giàu trên H2- CO2 Bùn
Acetobacterium kivui Làm giàu trên H2- CO2 Bùn
Clostridium aceticum Làm giàu trên H2- CO2 Bùn
Clostridium acetium Làm giàu trên H2- CO2 Bùn
28
Các vi khuẩn sinh metan
Bảng 1.9: Các họ và các chủng methanogens chủ yếu [7] Họ Loài Methanobacteriales Methanobrevibacter Methanosphaera Methanothermobacter Methanothermus Methanococcales Methanococcus Methanomicrobiales Methanocorpusculum Mathanocalculus Methanoculleus Methanofollis Methanogenium Methanomicrobium Methanoplanus Methanospirillum Methanopyrales Methanopyrus Methanosarcinales Methanomicrococcus Methanococcoides Methanohalobium Methanohalophilus Methanolobus Methanomethylovorans Methanophilus Methanosaeta Methanosarcina
Các vi khuẩn sinh methan như sản phẩm chủ yếu của quá trình phân hủy kỵ khí, thuộc họ prokaryots (archaebacteria), hoạt động ở các môi trường yếm khí, chẳng hạn đường ruột của người và động vật, các bể phản hủy kỵ khí, các bãi chôn lấp rác, trầm tích ao hồ.., nơi các loài vi khuẩn khác trong quần thể vi sinh vật đều
29
duy trì một thế năng oxy hóa khử thấp và sản xuất ra các cơ chất sinh methan, cũng như các thành phần dinh dưỡng khác. Chúng có thể có nhiều loại hình dạng khác nhau: hình cầu, hình sợi xoắn, hình que và nhiều cách sắp xếp các tế bào tạo thành các mạch hay các cấu kết (aggregates) dài hơn, lớn hơn.
Các methanogens chỉ tiêu thụ một nhóm khá hạn chế các cơ chất bao gồm CO, H2, CO2, formate, methanol, methylamin hoặc acetate. Chúng đóng một vai trò quan trọng trong khâu cuối cùng của chuỗi thực phẩm kỵ khí, chuyển hóa các sản phẩm của quá trình lên men với bậc dinh dưỡng cao hơn thành các sản phẩm tương đối trơ về mặt kỵ khí là CO2 và methane.
Các vi khuẩn khử sulphat
Trong điều kiện kỵ khí, các vi khuẩn khử sulfate (SRB - sulfate reducing bacteria hay sulfidogens) sẽ sử dụng các cơ chất hữu cơ với tư cách là các chất cho điện tử (electrodonor) để chuyển hóa SO42-
thành S2-.
Các vi khuẩn khử sulfate (SRB) thuộc nhóm vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, rất đa dạng trong khả năng sử dụng các cơ chất khác nhau trong quá trình trao đổi chất với tư cách là chất cho electron như nguyên tử hydrogen, acetate, formate, propionate, butyrate, acid mạch dài, acid mạch ngắn, lactate, methanol, ethanol, các alcohols mạch dài, fumarate, succinate, malate, và các hợp chất vòng thơm. Ngoài quá trình khử sulfat , khử sulfite và khử thiosulfate cũng rất phổ biến đối với các SRB .
Các SRB có thể chia làm hai loài chính: nhóm các chủng hình que, tạo bào xác (sporeforming) với lượng G+C thấp (deusulfotomaculum), và các chủng không tạo bào xác (non-sporeforrming), là các vi khuẩn hình sợi xoắn với lượng G+C cao (desulfovibrio). Gần đây các SRB đã được sắp xếp lại thành hai nhóm chủ yếu:
Các SRB oxy hóa cơ chất không hoàn toàn, với acetat là sản phẩm cuối.
Nhóm này bao gồm những loài sau: Desulfovibrio, Desulfosarcina,
30
Các SRB oxy hóa cơ chất hoàn toàn thành CO2. Nhóm này bao gồm những loài sau: Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosacina, Desulfobacterium, Desulfonema.
Trong trường hợp không có chất nhận điện tử chứa lưu huỳnh, các SRB có thể phát triển bằng các phản ứng lên men hoặc acetogenic. Như pyruvate, lactate, và ethanol có thể dễ dàng lên men bởi nhiều chủng SRB khác nhau [5].
Cạnh tranh giữa các vi khuẩn AB , MB và SRB
Các phản ứng sinh acetate Propionate- + 3H2O Acetate-
+ HCO3- + H+ + 3H2 Butyrate- + 2H2O 2Acetate- + H+ + 2H2 Lactate- + 2H2O Acetate- + HCO3- + H+ + 2H2 Ethanol + H2O Acetate- + H+ + 2H2 Các phản ứng sinh metan 4H2 + HCO3- + H+ CH4 + 3H2O Acetate- + H2O CH4 + HCO3-
Các phản ứng khử sulfate 4H2 + SO42- + H+ HS- + 4H2O Acetate- + SO42- HS- + 2HCO3- Propionate- + ⁄ SO42- + H+ Acetate- + ⁄ HS- + HCO3- + ⁄ H+ Butyrate- + ⁄ SO42- 2Acetate- + ⁄ HS- + ⁄ H+ Lactate- + ⁄ SO42- 2Acetate- + HCO3- + ⁄ HS- + ⁄ H+ Ethanol + ⁄ SO42- 2Acetate- + ⁄ HS- + ⁄ H+ + H2O
31
Hydrogen và acetate là các sản phẩm trung gian cơ bản của quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ để dẫn tới sản phẩm cuối cùng là methane hay sulfide. Vì thế sự cạnh tranh giữa các SRB và các MB để cạnh tranh hydrogen và acetate có ý nghĩa quyết định đối với quá trình công nghệ. Kết quả cạnh tranh phụ thuộc vào cả các tham số nhiệt động học và động học [5].
Hình 1.4: Cạnh tranh giữa các vi khuẩn AB, MB và SRB [5]
Cạnh tranh tiêu thụ hydro
Cả các tham số nhiệt động học và động học đều cho các SRB tiêu thụ hydro nhiều ưu thế hơn so với các MB tiêu thụ hydro. Các vi khuẩn khử sulfate sử dụng hydro (HSRB) thu nhận được nhiều năng lượng từ sự tiêu thụ nguyên tử hydrogen hơn, có tốc độ phát triển cao hơn, thu hoạch tế bào cao hơn, và ái lực cơ chất tốt hơn các vi khuẩn sinh methane sử dụng hydro (HMB) . Kết quả nghiên cứu với các thiết bị kị khí cho thấy các HSRB sẽ áp đảo các HMB trong quá trình cạnh tranh hydrogen khi có sự hiện diện của sulfate vừa đủ.
32
Cạnh tranh tiêu thụ Acetate
So sánh các chỉ số về nhiệt động học và nhiệt động học, vi khuẩn khử sulfate sử dụng acetate (ASRB) đều chiếm ưu thế hơn vi khuẩn sinh methane sử dụng acetate (AMB). Chẳng hạn các ASRB làm tăng thêm năng lượng từ sự tiêu thụ acetate hơn là các AMB, và các ASRB có tốc độ phát triển cao hơn các AMB, đặc biệt ở nồng độ acetate thấp. Do đó nếu acetate vừa đủ thì sự chiếm ưu thế của các ASRB đối với các AMB có thể xảy ra. Tuy nhiên, có một số tác giả đã chỉ ra rằng sự chuyển hóa acetate hoàn toàn thành methane khi có sự dư thừa sulfate. Và trong một thiết bị kỵ khí với các tế bào cố định, do thời gian lưu bùn cao hơn nên sự cạnh tranh giữa ASRB và AMB diễn ra lâu hơn trong thời gian dài. Phải cần thời gian vận hành từ 250 đến 400 ngày [9].