CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.7. Tổng quan về vi khuẩn Nitrosomonas và q trình nitrat hóa
1.7.1. Giới thiệu vi khuẩn Nitrosomonas [24]
Nitrosomonas là một lồi vi khuẩn hố tự dưỡng vơ cơ dạng hình que với sự
trao đổi chất hiếu khí. Nitrosomonas khơng phát triển bởi quá trình quang hợp, tuy
nhiên hoạt tính trao đổi chất bất thường của chúng có liên quan đến việc đốt amoni với oxy. Nitrosomonas stercoris sử dụng năng lượng thu được thơng qua q trình oxy hóa amoniac để cố định carbon dioxide dạng khí thành các phân tử hữu cơ. Nitrosomonas phải tiêu thụ một lượng lớn amoniac trước khi phân chia tế bào có thể xảy ra và q trình phân chia tế bào có thể mất đến vài ngày.
Nitrosomonas rất hữu ích trong xử lý sinh học. Chúng rất quan trọng trong chu trình nitơ bằng cách tăng khả năng cung cấp nitơ cho cây trồng đồng thời hạn chế sự cố định carbon dioxide.
Trong q trình nitrat hóa, Nitrosomonas đống vai trị oxy hóa amoni thành nitric, sau đó chuyển sang nitrat bởi các vi khuẩn khác.
Hình 1.1: Vi khuẩn Nitrosomonas (Nguồn: The Microbe Zoo (by Yuichi Suwa).
Về đặc điểm hình thái, phân bố và mơi trường sống của vi khuẩn Nitrosomonas được tóm tắt trong bảng sau:
Bảng 1.8: Đặc điểm hình thái, phân bố và mơi trường sống của Nitrosomonas Đặc điểm hình thái Phân bố Mơi trường sống
Hình cầu hoặc hình bầu dục ngắn Kích thước từ 1 – 2 x3µm, G (-), có màng nhầy, khơng sinh bào tử, có tiêm mao dài nên có thể chuyển động được.
Những nơi giàu NH3 và các muối vô cơ như trong bùn đáy ao, nước cống, nước ngọt các thủy vực bị ô nhiễm chứa nhiều hợp chất nitơ nhằm tránh ánh sáng.
pH thích hợp là từ 6 – 9. Khoảng pH tối ưu là 7,8 – 8 và nhiệt độ từ 20 – 30oC, tối ưu là 30oC
Một vài loài vi khuẩn thuộc chi Nitrosomonas:
− Nitrosomonas aestuari là một loại vi khuẩn gram âm, aerobe, vi khuẩn từ chi Nitrosomonas chuyển hóa amoniac thành nitrite để cung cấp năng lượng.
− Nitrosomonas eutropha có thể được tìm thấy trong mơi trường phú dưỡng
mạnh (những chất giàu chất dinh dưỡng và khoáng chất hữu cơ như hệ thống xử lý nước thải. Nitrosomonas eutropha cũng có khả năng chịu đựng cao đối với nồng độ amoniac tăng cao. Nitrosomonas eutropha có thể phát triển yếm khí, sử dụng nitrite làm chất nhận điện tử và H2 làm chất khử. Là một vi khuẩn oxy hóa amoniac, Nitrosomonas eutropha xúc tác q trình oxy hóa amonia để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho sự tăng trưởng, là một sản phẩm khử nitrite.
− Nitrosomonas marina là một loài vi khuẩn thuộc chi Nitrosomonas được sử dụng để sản xuất năng lượng, lồi này khơng phụ thuộc vào nguồn năng lượng hữu cơ và carbon. Quá trình trao đổi chất dựa trên q trình nitrat hóa, amoniac (NH3) bị oxy hóa thành nitrite (NO2-). Lồi này thường có ở biển.
− Nitrosomonas sp. (chủng Is79A3) là một loại vi khuẩn hiếu khí, chemoautotrophic, gram âm được phân lập từ hồ nước ngọt. Nó oxy hóa
amoniac thành nitrite. Nitrosomonas sp. rất hữu ích trong việc xử lý chất thải cơng nghiệp và nước thải và trong q trình xử lý sinh học. Nitrosomonas sp. sử dụng năng lượng thu được thơng qua q trình oxy hóa amoniac để cố định carbon dioxide dạng khí thành các phân tử hữu cơ.
− Nitrosomonas ureae là một lồi vi khuẩn thuộc chi Nitrosomonas. Nó là một lồi vi khuẩn nitrat hóa oxy hóa amoniac (NH3) thành nitrite (NO2-) trong quá trình trao đổi chất và do đó thu được năng lượng. Nitrosomonas ureae chủ yếu được tìm thấy trong nước ngọt, hiếm gặp hơn trong đất.
− Nitrosomonas stercoris là một lồi vi khuẩn gram âm, có khả năng di chuyển không cần quan sát, loại vi khuẩn này có xu hướng phát triển hình dạng từ hình que đến quả lê, đơi khi hình dạng như một quả cầu. Nitrosomonas
stercoris là loài vi khuẩn thuộc chi Nitrosomonas oxy hóa amoni thành nitrit. Trong nghiên cứu này vi khuẩn sử dụng để đánh giá độc tính là Nitrosomonas
stercoris.
1.7.2. Q trình nitrat hóa
Đối với các ao ni tơm cá, trong q trình sinh sống chúng thường bài tiết ra khí NH3, trường hợp hàm lượng NH3 tăng cao sẽ gây độc cho tôm [24]. Các hợp chất hữu cơ phức tạp sẽ được phân hủy thành NH3 dưới tác dụng của vi sinh vật. Lúc này, q trình Nitrat hóa trong nước diễn ra nhờ vào hoạt động của các loại vi khuẩn có ích sẽ giúp chuyển hóa các chất độc trong ao thành những chất có ích cho đời sống của thực vật thủy sinh. Q trình Nitrat hóa Hiểu một cách đơn giản, q trình Nitrat hóa là một q trình sinh học mà ở đó các loại vi khuẩn Nitrat hóa sẽ oxy hóa amonia thành Nitrat thơng qua sự hình thành Nitrit trong điều kiện có Oxy.
Q trình được diễn ra như sau: NH3 trong nước sẽ chuyển hóa thành NH4+ theo phản ứng hóa học:
Nitrat hóa diễn ra gồm 2 giai đoạn được thực hiện bởi 2 nhóm vi khuẩn nối tiếp nhau bao gồm:
Giai đoạn 1: Chuyển hóa NH4+ thành NO2– bởi nhóm vi khuẩn Nitrite hóa
NH4+ + 1,5 O2 ➔ NO2 + 2H+ + H2O
Trong giai đoạn này, vi khuẩn tham gia mạnh nhất trong q trình Nitrite hóa là những loại vi khuẩn vơ cơ tự dưỡng, chúng chuyển hóa NH4+ thành NO2– sẽ sinh ra năng lượng sử dụng cho hoạt động sống của các vi khuẩn nitrite hóa.
Vi khuẩn Nitrosmonas sẽ giúp loại bỏ được NH4+ đồng thời sẽ làm giảm hàm lượng NH3 trong nước.
Giai đoạn 2: Chuyển hóa NO2- thành NO3- bởi nhóm vi khuẩn Nitrat hóa
NO2 + 0,5 O2 ➔ NO3-
Giai đoạn này, nhóm vi khuẩn Nitrite hóa sẽ thực hiện chuyển hóa NO2– thành NO3– (đây là sản phẩm cuối cùng của q trình Nitrat hóa). Nhóm vi khuẩn tham gia vào quá trình này là các loại vi khuẩn hóa vơ cơ cơ tự dưỡng bao gồm: Nitrobacter
spp và Nitrospira spp là những nhân tố chính thúc đẩy q trình.
Q trình Nitrat hóa trong nước ao ni chỉ xảy ra khi nồng độ NO2– không vượt quá 0,5 mg/L (trong điều kiện nước có đầy đủ Oxy). Trường hợp trong nước thiếu oxy sẽ tạo điều kiện NO2- phát sinh và gây độc cho tôm nuôi.
1.7.3. Những nghiên cứu về Nitrosomonas stercoris trong chỉ thị mức độ ô nhiễm của môi trường
Nghiên cứu của Tatsunori Nakagawa và Reiji Takahashi thuộc đại học Nihon, Nhật Bản về việc phân lập chủng vi khuẩn oxy hóa amoni từ phân chuồng có khả năng chịu được nồng độ amoni cao. Nghiên cứu đã phân lập được chủng vi khuẩn oxy hóa amoni có tên gọi Nitrosomonas stercoris KYUHI-ST. Nitrosomonas stercoris là một loài vi khuẩn gram âm, có khả năng di chuyển khơng cần quan sát, loại vi khuẩn này có xu hướng phát triển hình dạng từ hình que đến quả lê, đơi khi hình dạng như một quả cầu. Các tế bào có chiều dài từ 0,7 - 1,2 µm, chiều rộng từ 0,3 - 0,7 µm. Điều kiện tăng trưởng tối ưu của loài vi khuẩn này ở 25oC, pH ban đầu là 8,0.
Hình 1.2: Các khuẩn lạc và hình thái học của vi khuẩn Nitrosomonas stercoris
KYUHI-ST
(A) Khuẩn lạc thuộc chủng KYUHI-ST sau khi ủ trong 87 ngày.
(B) Hình ảnh qua kính hiển vi điện tử quét của KYUHI-ST. Bar = 1.000 nm. (C) Hình ảnh của KYUHI-ST thơng qua các bức xạ điện tử. Bar = 500 nm. (D) Các bức xạ điện tử truyền qua màng tế bào của KYUHI-ST. Hình mũi tên
đen hiển thị màng tế bào trong bạch cầu. Bar = 500 nm.
Gần đây nhất là nghiên cứu nâng cao độ nhạy của thử nghiệm ức chế hơ hấp bùn hoạt tính và xác minh các kết quả sử dụng điện cực giảm oxy hóa tiềm năng của Ferdinand Fredrichs (2016) [25].