Bảng 1 Vai trò của các thành phần trong EPS
1.7. Chu trình nitơ trong tự nhiên
1.7.1. Khái quát về chu trình nitơ
Nitơ là một thành phần ch nh trong rất nhiều hợp chất trong cơ thể sinh vật. Nitơ chiếm phần lớn trong kh quyển nhƣng hầu hết các sinh vật không thể hấp thu trực tiếp. Chỉ khi đƣợc biến đổi từ kh N2 thành NH3 th nó mới trở n n dễ hấp thụ cho những sinh vật sản xuất đầu ti n, thƣờng là thực vật. Khi đó, nitơ tồn tại ở nhiều dạng hợp chất vơ cơ (NH3, NO-3 ...), hữu cơ (ADN, protein, axit amin....). Do đó, nitơ đƣợc biến đổi thành nhiều dạng khác nhau trong hệ sinh thái nhờ các sinh vật khác nhau. Sự biến đổi qua lại của nitơ giữa các dạng hợp chất hóa học của nó đƣợc gọi là chu tr nh nitơ. Việc biến đổi này có thể đƣợc tiến hành bởi cả hai quá tr nh sinh học và phi sinh học. Quá tr nh quan trọng trong chu tr nh nitơ bao gồm sự cố định nitơ, khống hóa, nitrat hóa và phản nitrat hóa.
Nitơ trong môi trƣờng tồn tại ở nhiều dạng hóa học khác nhau nhƣ amoni (NH4+), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), đi nitơ oxyt (N2O), nitơ oxyt (NO), kh nitơ (N2). Nitơ hữu cơ có thể tồn tại trong các sinh vật sống hoặc các sản ph m trung gian của
quá tr nh ph n hủy các vật chất hữu cơ. Các quá tr nh trong chu tr nh nitơ chuyển đổi nitơ từ một dạng này sang dạng khác. Một số quá tr nh này đƣợc tiến hành bởi các vi khu n, qua quá tr nh đó hoặc để chúng lấy năng lƣợng hoặc để t ch tụ nitơ thành một dạng cần thiết cho sự phát triển của chúng. H nh 5 thể hiện cách mà các quá tr nh này tƣơng th ch với nhau để tạo ra chu tr nh nitơ.
Hình 5. Chu trình nitơ trong tự nhiên [82].
Các dạng nitơ hữu cơ từ nguồn động thực vật sau khi chết đƣợc các vi khu n amoni hóa chuyển hóa thành dạng amoni; sau đó amoni đƣợc chuyển hóa thành nitrit nhờ vi khu n nitrit hóa; nitrit sinh ra đƣợc nhóm sinh vật nitrat hóa chuyển hóa thành nitrat; cuối cùng nitrat đƣợc nhóm sinh vật kỵ kh chuyển thành dạng nitơ ph n tử nhờ quá tr nh phản nitrat hóa. Ngồi ra cịn có nhóm vi sinh vật cộng sinh trong nốt sần của các c y họ đậu tham gia qua tr nh cố định nitơ.
1.7.2. Q trình nitrat hóa
Nitrat hóa là một q trình tự dƣỡng. Năng lƣợng cho sự phát triển của vi khu n đƣợc lấy từ các hợp chất oxy hóa của nitơ. Nitrat hóa là sự kết hợp của quá trình oxy hóa amoni và q trình oxy hóa nitrit thành nitrat. Các vi khu n chuyển hóa amoni nhƣ Nitrosomonas, Nitrosococcus chuyển hóa amoni thành nitrit theo
phản ứng (1). Các vi khu n oxy hóa nitrit nhƣ Nitrobacter, Nitrocytis sau đó chuyển hóa nitrit thành nitrat theo phản ứng (2)...
15 CO2 + 13 NH4+ 10 NO2-
5 CO2 + NH4+ + 10 NO2- + 2 H2O 10 NO3- + C5H7NO2 + H+ (2) Các vi khu n của q trình nitrat hóa thích hợp với pH trên 6 và hoạt động tốt ở khoảng nhiệt độ là 30oC.
Các vi khu n Nitrosomonas và Nitrobacter sử dụng năng lƣợng lấy từ các
phản ứng tr n để tự duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối. Cùng với quá tr nh thu năng lƣợng, C5H7NO2 tạo thành dùng để tổng hợp nên sinh khối mới cho tế bào vi khu n.
Q trình nitrat hóa là giai đoạn cuối cùng của q trình khống hóa các chất hữu cơ có chứa nitơ. Nitrat hóa là q trình hồn thiện của các cơng trình xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp sinh học. Quá trình này tạo nên sự t ch lũy oxy trong các hợp chất nitơ để các q trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ tiếp theo có thể xảy ra khi lƣợng oxy hòa tan trong nƣớc rất ít hoặc đã hết.
1.7.3. Q trình phản nitrat hóa
Khi thiếu oxy và tồn tại nitrat hóa sẽ xảy ra quá tr nh ngƣợc lại: Tách oxy khỏi nitrat và nitrit để sử dụng lại trong các q trình oxy hóa các chất hữu cơ khác. Quá tr nh này đƣợc thực hiện nhờ các vi khu n phản nitrat hóa (vi khu n yếm khí tùy tiện). Trong điều kiện khơng có oxy tự do mà mơi trƣờng vẫn cịn chất hữu cơ cacbon, một số loại vi khu n khử nitrat hoặc nitrit để lấy oxy cho q trình oxy hóa các chất hữu cơ. Quá tr nh khử nitrat đƣợc biểu diễn theo phƣơng tr nh phản ứng:
4 NO3- + 5Chữu cơ + 4 H+ 5 CO2 + 2 N2 + 2 H2O
Nhóm vi khu n phản nitrat hóa gồm có: Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus…
Phản nitrat hóa là một q trình quan trọng giúp chuyển nitơ cố định (NO3-) thành dạng tự do (N2) giải phóng vào khí quyển. Trong xử lý nƣớc thải, q trình này đem lại một lợi ích lớn bởi nó loại dạng nitrat không mong muốn ra khỏi nƣớc thải. Do đó làm giảm những khả năng mà nƣớc thải từ các nhà máy xử lý sẽ gây nên những hiện tƣợng không mong muốn (nhƣ tảo nở hoa).
Xuất phát từ các nghiên cứu về vi sinh vật tạo màng, từ yêu cầu thực tiễn xử lý nƣớc thải chứa nitơ cũng nhƣ vai trị chuyển hóa nitơ trong tự nhiên, chúng tôi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu đặc điểm sinh học, khả năng sử dụng nitơ của một