CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
1.1.4. Cơ chế hình thành khí nhà kính
Khí mê tan là một hydrocacbon có thành phần chủ yếu là cacbon và hydro, trong đó cacbon là nguyên tố cơ bản của tất cả vật thể hữu cơ và chu trình sinh học của nguyên tố này thuộc về những quá trình cơ bản của thế giới sự sống. Trong quá trình biến đổi của chất hữu cơ, tuỳ theo điều kiện môi trường mà sản phẩm cuối cùng có thể là CO2, H2O, các axít hữu cơ, H2 và CH4. Đây là quá trình biến đổi sinh học phức tạp, có sự tham gia của vi sinh vật đã được nhiều tác giả đề cập (Muller G. (1964), Alexander M. (1977) Pagel H. (1966).
Nhìn chung, đây là quá trình phân huỷ sinh hoá của hợp chất cao phân tử ở trong đất, có sự xúc tác của enzym để chuyển thành những hợp chất hoà tan trong nước hoặc thoát ra ngoài như: khí CH4, CO2, H2, v.v... Tuỳ theo nguồn gốc chất hữu cơ ban đầu, ví dụ zellulo, lignin, hoặc chất đạm, v.v... mà quá trình biến đồi và sản phẩm cuối cùng cũng rất khác nhau. Có thế hình dung những quá trình biến đổi chù yếu dưới đây.
Hình 1.2: Sơ đồ phân hủy Xenlulozơ
Nguồn : Pagel H. (1966)
Khoáng hóa
CO2, H2O Axit hữu cơ, CH4, H2
Xenlulozơ cao phân tử
Mạch xenlulozzơ đợn giản
Polysacharid
Monosacharid
Sự hấp thụ qua vi sinh vật và chu
trình axit citric Vật thể vi sinh vật Tự phân hủy Trao đổi chất
Háo khí Yếm khí
Tác động của quá trình thủy phân và tác động của Enzym
Tác động của Enzym
1.1.4.1. Sự phân giải hydrocacbon
Sự phân giải của hydrocacbon (xenlulozơ, tinh bột…) trong đó xenlulozơ là chất khó phân hủy nhất trong nhóm này, sơ đồ như hình 1.2.
Ở điều kiện háo khí, CO2 và H20 hình thành. Ở điều kiện yếm khí, các axit hữu cơ, khí CH4 và H2 hình thành. Đây là quá trình biến đổi sinh hóa phức tạp, có sự tham gia của các vi khuẩn phân giải xenlulozơ thuộc bộ Pseudomonadales, họ Spirillaceac, giống Vibrio, Cellvibrio và Cellfalciula. Bên cạch đó còn có sự tham gia của các loài nấm thuộc lớp Ascomycetes mà Myxotrichum chartarum là một đại diện điển hình thuộc chủng Gymnoascales, họ Chytridiaceac.
1.1.4.2. Sự phân giải của lignin và các hợp chất tương tự
Trong xác thực vật có chứa nhiều hợp chất hữu cơ có mạnh vòng, không chứa N. Theo Feher, D. (từ Muller G. (1964) thì đơn vị hóa học cơ bản của lignin là các gốc sau: gốc guajacyl, gốc piperonyl, gốc syringyl,v.v…
Lignin là hợp chất khó phân giải. Ở điều kiện háo khí, lignin bị nấm Basidiomyceten và Ascomyceten phân giải. Vi khuẩn hầu như không có khả năng phân giải lignin, trừ trường hợp lignin trong lá thì vi khuẩn có thể phân giải được. Sự phân giải bắt đầu từ mạch nhánh đến nhóm cacboxyn, nhóm methoxyn phân giải đến nhóm OH. Sau đó các liên kết đôi và mạch vòng bị phá vỡ. Các bước tiếp theo của quá trình phân giải tương tự như hydratcacbon.
1.1.4.3. Sự phân giải của hợp chất hữu cơ chứa nitơ
Theo Rippel (từ Pagel H 1966) có thể hình dung quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ chứa N như hình 1.3.
Quá trình phân giải trên có sự tham gia của vi khuẩn, nấm và hàng loạt enzym. Sau quá trình denaminaza thì NH3 và axít béo được giải phóng. Sau đó, tương tự như trường hợp của hydrocacbon, ở điều kiện háo khí sẽ khoáng hoá thành CO2, NO2, SO4, H2O và các chất cặn. ở điều kiện yếm khí thì sẽ phân giải thành CH4, CO2, H2, H2S, NH3, R-COOH, RNH2, RSH và chất cặn.
Hình 1.3: Sơ đồ phân giải các hợp chất hữu cơ chứa N
Nguồn: Pagel H (1966)
Như vậy từ các chất hữu cơ cơ bản trong tự nhiên, qua quá trình phân hủy và sản phẩm cuối cùng là CO2; CH4. H2O. axit hữu cơ và H2. Tuỳ điều kiện môi trường, yếm khí hoặc hảo khí mà CO2 hoặc CH4 hình thành. Sự phát thải CH4 CO2; ở điều kiện ngập nước (yếm khí).
Nguồn gốc hình thành mêtan không những qua quá trình phân hủy xác thực vật mà còn có nguồn gốc phân huỷ xác thực vật Quá trình phân huỷ xác động vật để hình thành mêtan tương tự như ở phần phân hủy chất đạm như trình bày ở trên. Như vậy quá trình hình thành mêtan qua sự phân giải hữu cơ không phải là một quá trình hoá học thuần túy mà là một quá trình sinh hóa tổng hợp, có sự tham gia của sinh vật, kể cả động vật.
1.1.4.4. Vai trò của sinh vật
Trong quá trình lên men hình thành mêtan có sự tham gia của vi khuẩn mêtan Các vi khuẩn tạo ra mêtan có hình thái một tế bào. Một vài loại hình que, một vài loại hình cầu. Tất cả các vi khuẩn tạo ra mêtan, mặc dù có hình thái không giống nhau, nhưng
Chất đạm Pepton Polypeptid Axit amin NH3 Ure Axit béo CH4 CO2 H2O Khử Amin Khử cacbon Amin Từ axit Amin mạch vòng: Phenol, Krenson, Indon, Skaton.
Từ axit Amin chưa S: Mercaptan, H2S
đều có quan hệ với nhau về sinh hóa và được phân loại chung trong một họ duy nhất methannobacteriaceac. Họ này được chia thành hai loại khác nhau cơ bản như: Methanosarcina, methanococcus, v.v…
Các chất hữu cơ ban đầu có cấu tạo phức tạp. Trong quá trình phân giải có tác động của các quá trình hóa, lý và sinh học, trong đó đã có sự tham gia của hàng loạt vi khuẩn, ví dụ như nhóm vi khuẩn phân giải xenlulo. Khi đã thành những chất hữu cơ đơn giản như đường, protein, xenlulo hay hemixelulo và dưới tác động của các nhóm vi khuẩn mêtan, sẽ hình thành mêtan. Quá trình này còn gọi là quá trình lên men mêtan. Để chuyển đổi một chất hữu cơ đơn giản cần 2 hay nhiều nhóm vi khuẩn mêtan. Do đó, quá trình hình thành mê tan thực chất là quá trinh sinh hoá học, ở những giai đoạn nhất định, cũng có thể gọi là quá trình sinh học hình thành mêtan.
Các vi khuẩn kị khí tạo ra mêtan không thể sử dụng hydrocacbon và các aminoaxit có sẵn. Gluco và các loại đường không được lên men bởi các biện pháp nuôi cây vi khuẩn thuân túy, các polysacarit cũng có thể kháng cự được sự tấn công của các vi khuẩn là những axit như: axit formic, axit acetic, axit propionic, n-butyric và n-valeric và các loại rượu như: methanol, ethanol, n- và isopropanol, n- và isobutanol, và n- pentanol. Tuy nhiên, trong tự nhiên sự xáo trộn của hệ động thực vật diễn ra rất phổ biến, nhiều hợp chất tham gia váo sự lên men tự nhiên của mêtan. Tuy nhiên sự chuyển đổi đường, protein, xenlulo và hemixelulo thành mêtan cần hai hay nhiều hơn các nhóm vi sinh vật.
Tóm lại, sự hình thành mêtan liên quan mật thiết với sự hoạt động của vi sinh vật yếm khí và cũng có thể nói là chỉ hình thành khi vi sinh vật hoạt động.