VI KHUẨN VÀ NẤM
2 Vai trò của vi sinh vật trong các vùng nước
2.1 Tham gia các vịng tuần hồn vật chất trong thuỷ vực
2.1.1 Vịng tuần hồn cacbon
Cacbon trong tự nhiên nằm ở rất nhiều dạng hợp chất khác nhau, từ các hợp chất vô cơ đến các hợp chất hữu cơ. Các hợp chất cacbon hữu cơ chứa trong động vật, thực vật, vi sinh vật, khi các vi sinh vật này chết đi sẽ để lại một lượng chất hữu cơ khổng lồ trong đất. Nhờ hoạt động của các nhóm vi sinh vật dị dưỡng cacbon sống trong đất, các chất hữu cơ này dần dần bị phân huỷ tạo thành CO2. CO2 được thực vật và vi sinh vật sử dụng trong quá trình quang hợp lại biến thành các hợp chất cacbon hữu cơ của cơ thể thực vật. Động vật và con người sử dụng cacbon hữu cơ của thực vật biến thành cacbon hữu cơ của động vật và người. Người, động vật, thực vật đều thải ra CO2 trong quá trình sống, đồng thời khi chết đi để lại trong đất một lượng chất hữu cơ, vi sinh vật lại bị phân huỷ nó. Cứ thế trong tự nhiên các dạng hợp chất cacbon được chuyển hố liên tục.
Hình 5.2: Vịng tuần hồn Cacbon (Đặng Thị Hoàng Oanh, 2005)
Bước khởi đầu chu trình Carbon là quá trình quang hợp tổng hợp nên vật chất hữu cơ trong thủy vực được tiến hành nhờ nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng). Thực vật ở nước hấp thu nguồn năng lượng này thực hiện quá trình quang hợp theo phương trình tổng quát sau:
2 6 12 6 2 2 6 6 6 C H O O l Chlorophyl sáng Ánh O H CO
Các vi sinh vật tự dưỡng là các sinh vật sản xuất sơ cấp trong chuỗi dinh dưỡng của thủy vực vì chúng có khả năng chuyển hố các hợp chất vơ thành các hợp chất hữu cơ cho được các sinh vật di dưỡng sử dụng. Các vi sinh vật thuộc nhóm vi khuẩn lam, vi khuẩn khống dưỡng hố năng vơ cơ và nhóm vi khuẩn sinh mêtan là những vi sinh vật tham gia tích cực vào việc cố định một lượng CO2 khổng lồ trong chu trình cabon trên trái đất.
Vi khuẩn sinh mêtan tham gia tích cực trong chu trình cacbon. Trong tự nhiên chúng sinh sống ở những nơi kị khí nhưng giàu CO2, H2 . CO2 được nhóm vi khuẩn này sử dụng bằng hai cách khác biệt nhau. Khoảng 5% CO2 mà chúng hấp thu được sử dụng cho việc tạo ra các thành phần tế bào trong q trình sống và phát triển. 95% CO2 cịn lại được sử dụng để sinh năng lượng cho hoạt động của tế bào và giải phóng khí mêtan theo phương trình hố học:
100
Sự phân hủy sinh học là trọng tâm của vịng tuần hồn cacbon ở đó vi sinh vật có vai trị hết sức quan trọng. Trong mơi trường đất, nấm là các vi sinh vật có vai trị quan trong trong quá trình này bao gồm: xạ khuẩn, Clostridia, Bacilli,
Arthrobacters và Pseudomonas. Vai trò của vi sinh vật trong sự phân hủy sinh
học là vơ cùng quan trọng. Khơng có một hợp chất tự nhiên nào khơng có vi sinh vật có khả năng phân hủy chúng.
2.1.2. Vịng tuần hồn Nitơ
Vịng tuần hồn nitơ là vịng tuần hồn phức tạp nhất trong các vịng tuần hồn sinh học do nitơ là một trong những nguyên tố quan trọng cho sự sống. Nitơ chiếm khoảng 78% thể tích khơng khí (tương đương 3,9×1015 tấn N2). Nó bị tách ra khỏi khơng khí do sấm chớp. Nitơ là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng không thể thiếu đối với động thực vật và ngay cả đối với loài vi sinh vật. Trong mơi trường nước, nitơ có thể tồn tại dưới dạng N2, hay dưới dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ hịa tan hay khơng hịa tan. Các hợp chất vơ cơ hịa tan quan trọng của nitơ là NH3, NH4+
, NO2-, NO3- nhưng được thực vật hấp thu dưới dạng NH4+ , NO3-
Hình 5.3: vịng tuần hồn nitơ
Quá trình cố định nitơ phân tử:
Dưới tác dụng của các loại vi sinh vật, nitơ khơng khí được chuyển vào các chất hữu cơ chứa nitơ được gọi là quá trình cố định nitơ phân tử nhờ enzym
nitrogenaza.
N2 2NH3 Protein
Vi khuẩn cố định đạm có thể sống tự do hay cộng sinh. Các loài tự do như Azotobacter (hiếu khí) và Clostridium (hiếm khí) hay tự dưỡng như
Rhodospirillum, Rhizobium và Frankia cộng sinh trong rể cây. Trong mơi
trường nước, cũng có nhiều vi khuẩn cố định đạm, nhưng vai trị của chúng ít quan trọng hơn các tảo như Anabaena, Nostoc, Trichodesmum.
Q trình amon hóa:
Q trình amon hóa là quá trình phân huỷ và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa nitơ dưới tác dụng của các loài vi sinh vật (nhiều vi khuẩn gây thối và nấm) thành NH4+(NH3).
Chất hữu cơ chứa N NH3 hoặc NH4+
Quá trình phân hủy và chuyển hố protein để giải phóng NH3 do nhiều vi sinh vật hiếu khí và yếm khí gây ra.
Cơ chế: Protein → polypeptit → axit amin → NH3 . Ure là một hợp chất hữu cơ đơn giản chứa 46,6%N.
CO(NH2)2 + 2H2O (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H2O
Q trình nitrat hóa:
Q trình chuyển hóa từ NH3 (NH4+ ) dưới tác dụng của các loài vi sinh vật thành NO3 được gọi là q trình nitrát hóa. Q trình này xảy ra hai giai đoạn: nitrít hóa và nitrát hóa với sự có mặt của oxygen:
Quá trình nitrit hóa: gồm 4 giống chủ yếu: Nitrosomonas;
Nitrosolobus; Nitrocystis; Nitrosospira.
NH4+ + 3/2O2 NO2- + 2H+ + H2O
Q trình nitrat hóa: gồm có 3 giống vi sinh vật: Nitrobacter; Nitrospira;
Nitrococcus.
NO2- + ½ O2 NO3- Q trình phản nitrat hóa: (q trình hơ hấp yếm khí)
Là q trình chuyển hóa NO3- thành N2 để bù trả lại nitơ cho khơng khí
Vi sinh vật Ureaza
Vi sinh vật
được gọi là q trình phản nitrát hóa.
Vi khuẩn tham gia vào q trình phản nitrate hóa bao gồm các loại yếm khí khơng bắt buộc Trong điều kiện có oxy chúng sẽ hô hấp hiếu khi nhưng nếu thiếu O2 chúng sẽ thay thế bằng hô hấp yếm khí như:
Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Proteus, Pseudomonas,... Những vi khuẩn này đều là dị dưỡng, có khả năng khác nhau
trong sự khử nitrat theo phương trình:
NO3 ---> NO2 ---> N2
2.1.3. Vịng tuần hồn lưu huỳnh
Lưu huỳnh là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng là thành phần của một số vitamin và các chất chuyển hố. Lưu huỳnh cũng có mặt trong hai amino axit là cysteine và methionine trong cơ thể sinh vật. Thực vật hút các hợp chất S vô cơ trong đất chủ yếu dưới dạng SO42- và chuyển sang dạng S hữu cơ của tế bào. Động vật và người sử dụng thực vật làm thức ăn và cũng biến S của thực vật thành S của động vật và người. Khi động thực vật chết đi để lại một lượng lưu huỳnh hữu cơ trong đất. Nhờ sự phân giải của vi sinh vật, S hữu cơ sẽ được chuyển hoá thành H2S. H2S và các hợp chất vơ cơ khác có trong đất sẽ được oxy hoá bởi các nhóm vi khuẩn tự dưỡng thành S và SO42- , một phần được tạo thành S hữu cơ của tế bào sinh vật. SO4 lại được thực vật hấp thụ, cứ thế vịng tuần hồn S được tái diễn.
Q trình sulfat hóa:
Sự có mặt của oxygen, các vi sinh vật thường phân huỷ protein và các axít amin thành NH3 và giải phóng H2S từ các axít amin chứa lưu huỳnh (methionine, cystein hay cystin)
Cystin NH3 + CO2 + H2O + H2S
Chlorobacteriacees và Thiorhodacees. Chúng sử dụng H2S làm chất cho
electron để cho quá trình tổng hợp chất hữu cơ của cơ thể và nguồn cacbon ở đây là CO2:
H2S + CO2 (CH2O) + H2O + 2S
S + 3CO2 + 5H2S 3(CH2O) + 4H+ + 2SO42- Kết quả của quá trình là tạo thành ion SO42- là chất cuối cùng bền vững. Quá trình này được gọi là q trình sulfate hóa.
Quá trình phản sufat hoá:
Trong mơi trường yếm khí, SO42- sẽ bị vi sinh vật khử trở lại thành H2S, quá trình này được gọi là q trình phản sulfate hóa. Q trình này, sử dụng chất hữu cơ làm chất cho electron. Tham gia quá trình này bao gồm các giống vi sinh vật: Desulfovibrio; Desulfovibrio; Desulfotomaculum.
Quá trình phản sulfat hoá dẫn đến việc tích luỹ H2S trong mơi trường làm ô nhiễm môi trường nhất là trong đất và trong trầm tích ở các thuỷ vực có hàm lượng H2S cao làm ảnh hưởng đến đời sống của thực vật và động vật trong môi trường.
2.1.4. Vịng tuần hồn Oxygen
Trong thuỷ vực O2 được sinh ra nhờ sự quang phân phân tử H2O qua quá trình quang hợp và rồi O2 lại được chuyển trở lại dạng H2O trong qua trình hơ hấp. Vi khuẩn lam, tảo và thực vật là các sinh vật có vai trị chủ yếu tạo ra O2 trong khí quyển. Rỏ ràng có mối quan hệ mật thiết giữa sinh vật tự dưỡng và sinh vật dị dưỡng trong việc cung cấp O2 và CO2 qua lại cho nhau. Sự quan hệ này được thể hiện qua phương trình hố học như sau:
CO2 + H2O ---> CH2O + O2 (quang hợp) CH2O +O2 ---> CO2 + H2O (hơ hấp hiếu khí)
2.2. Vi sinh vật làm chỉ thị trong nước 2.2.1. Khái niệm 2.2.1. Khái niệm
Những đối tượng sinh vật có yêu cầu nhất định về điều kiện sinh thái liên quan đến nhu cầu dinh dưỡng, hàm lượng oxy, cũng như khả năng chống chịu một hàm lượng nhất định các yếu tố độc hại trong mơi trường sống và do đó, sự hiện diện của chúng biểu thị một tình trạng về điều kiện sinh thái của môi trường sống nằm trong giới hạn nhu cầu và khả năng chống chịu của đối tượng sinh vật đó.
Thơng qua sinh vật chỉ thị mơi trường, chúng có thể nhận diện được sự có mặt của các chất để đánh giá chất lượng môi trường nhằm phục vụ cho việc giám sát và quan trắc với ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn.
2.2.2. Các loại vi sinh vật chỉ thị
- Tảo: là sinh vật chỉ thị chất lượng nước hay sự phú dưỡng hóa nguồn nước. Phát triển mạnh trong điều kiện nước ấm, giàu chất hữu cơ Nitơ và Photpho từ nguồn nước thải sinh hoạt, công nghiệp thực phẩm, phân bón. Có sức chịu đựng với các chất hữu cơ nhưng không chỉ thị được cho môi trường ô nhiễm thuốc trừ sâu, kim loại nặng
Hình 5.5: Các lồi tảo chỉ thị
- Vi khuẩn nhóm Coliform: (Sinh vật chỉ thị ô nhiễm do phân) nhóm Coliform (Coliform, Fecal coliform, Fecal streptococci, Escherichia coli ...) có mặt trong ruột non và phân của động vật máu nóng, qua con đường tiêu hoá mà chúng xâm nhập vào môi trường và phát triển mạnh nếu có điều kiện nhiệt độ
thuận lợi. Số liệu Coliform cung cấp cho chúng ta thông tin về mức độ vệ sinh của nước và điều kiện vệ sinh môi trường xung quanh.
Hình 5.6: Nhóm vi khuẩn E.coli
- Ngun sinh Động vật: thích nghi trong mơi trường giàu chất chất hữu cơ.
- Động vật đáy không xương sống: làm chỉ thị sinh học quan trắc ô nhiễm nước do các nguyên nhân: Ô nhiễm do kim loại nặng và thuốc bảo vệ thực vật, do các chất dinh dưỡng
- Vi khuẩn dạng ống Sphaerotilus: thường có mặt trong các nguồn nước
giàu chất hữu cơ và làm nguồn nước cực kỳ bẩn do chúng sử dụng protein làm chất dinh dưỡng và tiêu thụ rất nhiều oxy để phân giải protein. Một khi loài vi khuẩn này xuất hiện nhiều thường gây bên tình trạng báo động về oxy trong thuỷ vực và khi oxy bị mất hồn tồn thì lồi vi khuẩn này cũng chết đi và bị thối rữa làm xuất hiện H2S cùng những chất khác. Ngoài vi khuẩn dạng ống, một số vi khuẩn khác cũng tham gia làm bẩn nước như: vi khuẩn phản sunphat
Desulfovibrio desufuricans, vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh (nhất là nhóm Thiobacillus, Thiothrix và Beggialoa), vi khuẩn sinh mêtan và vi khuẩn sắt.
- Nấm nước: trong nước thải cũng thường có nhiều loài nấm đặc biệt là nấm men thuộc giống Saccharomyces. Ngồi ra cịn có bào tử và sợi nấm. Nấm nước tiêu biểu là Leptomitus lacteur và Furasium aquaeductuum. Các loại nấm nước có khả năng gây bẩn rất nhanh nhất là những khu cơng nghiệp có sản phẩm thải là xenlulozơ vì nguồn dinh dưỡng chủ yếu của chúng là hydrat cacbon.
2.3. Vi sinh vật là các tác nhân gây bệnh trong nước
Một số vi sinh vật có thể gây bệnh cho người, động vật và thực vật. Những vi sinh vật gây bệnh là do chúng thực hiện các phản ứng trao đổi trong vật chủ.
Đa số vi sinh vật gây bệnh là loại sống ký sinh và lấy thức ăn từ vật chủ. Còn dạng khác của vi sinh vật gây bệnh là chúng sản ra các độc tố đối với vật chủ
Vi sinh vật gây ra rất nhiều bệnh hiểm nghèo cho người, gia súc, gia cầm. Tuy nhiên số vi sinh vật gây bệnh chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong thế giới vi sinh vật.
- Các vi khuẩn gây bệnh đường ruột ở người như E. coli, Salmonella typhi và S. paratyphi gây bệnh thương hàn, các vi khuẩn lị Shigella, bào tử của
các Clostridium gây bệnh, phẩy khuẩn Vibrio cholerae và V. alginolitycus.
- Các nấm gây bệnh ngoài da.
- Một số virut gây bệnh như polyovirut gây bệnh bại liệt ở trẻ em, các virut gây bệnh đường ruột ở người, virut gây bệnh cúm, các virut hepatitit.
2.4. Vi sinh vật và sự tự làm sạch các nguồn nước
Sự tự làm sạch nước nhờ vào q trình vật lý và hóa học như hiện tượng sa lắng và oxy hóa giữ một vai trị quan trọng, song đóng vai trị quyết định vẫn là các quá trình sinh học. Tham gia vào quá trình này chủ yếu phải kể là các vi sinh vật (vi khuẩn phân hủy hợp chất N, P, S...), các tảo và cây thủy sinh (quang hợp), các động vật ăn các chất bẩn hữu cơ, các sinh vật có khả năng tích tụ chất độc trong cơ thể, trong số này chủ yếu là các loài tảo, động vật không xương sống cỡ nhỏ với số lượng lớn.
Bùn hoạt tính được cấu tạo chủ yếu từ các vi khuẩn và động vật nguyên sinh, đôi khi từ nấm, trùng bánh xe và giun trịn. Các vi khuẩn tạo thành nhóm lớn nhất chịu trách nhiệm loại bỏ ô nhiễm và tạo ra các cục vón
Tuy nhiên sự tự làm sạch tự nhiên chỉ xảy ra ở những địa điểm mà thành phần và số lượng các chất bẩn phù hợp với lực tự làm sạch của các thủy vực. Lực này rất khác nhau tuỳ theo nguồn nước và đạt trị số lớn nhất ở những nơi chuyển động mạnh của nước chia đều nước thải và sự trao đổi khí với khơng khí của khí quyển xảy ra mạnh. Lực tự làm sạch nước trong các tháng mùa nóng lớn hơn trong các tháng mùa lạnh. Khi nhiệt độ cao hoạt động của phần lớn vi sinh vật được kích thích, đồng thời do được chiếu sáng các thực vật nổI được cung cấp thêm oxy.
Ờ các thủy vực bị nhiễm quá nhiều nước thải và rác rưỡi so với khả năng mà thủy vực có thể tự xử lý, ngay cả trong những điều kiện thuận lợi nhất, thì khả năng tự làm sạch của thuỷ vực sẽ bị phá vở và điều này thường dẫn đến
những hậu quả rất xấu về môi trường. Do việc sử dụng oxy quá lớn để phân giải chất thải sẽ làm xuất hiện những khu vực yếm khí trong thủy vực, ở đó do q trình thối rửa, phản ứng sunphat hoá và H2S được tạo thành. Gần như toàn bộ các sinh vật bậc cao và vi sinh vật đều chết, một quần thể vi sinh vật nghèo nàn về chủng loại được phát triển và chúng chỉ có thể phân giải một phần nhỏ chất bẩn hữu cơ trong thủy vực.
Việc phá vở sự tự làm sạch cùa các thuỷ vực cũng có thể xuất hiện do sự cung cấp trực tiếp các chất độc, trước hết là do nước thải và rác rưởi của các nhà máy thủ công hay công nghiệp đưa vào làm chết các sinh vật than gia vào các q trình tái khống hố. Các chất độc này bao gồm trước hết là các hợp chất kim loại nặng, các axit và các chất độc hữu cơ.
Câu hỏi ôn tập:
1. Sự phân bố của vi sinh vật trong các thủy vực?
2. Vai trò của vi sinh vật trong các vịng tuần hồn vật chất? 3. Vai trò của vi sinh vật trong các thủy vực?