CHƢƠNG 2 LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.6. Vi khuẩn phân hủy lân trong nƣớc thải
16
2.6.1. Quá trình khử lân trong nƣớc thải của vi khuẩn
Trong tự nhiên, lân có thể được tìm thấy ở những nơi mà vi sinh vật hoạt động và phát triển. Đối với trường hợp lân bị giới hạn, vi sinh vật sẽ tiết ra một phức hợp làm nhiệm vụ là một hệ thống điều tiết để đồng hóa lân một cách hiệu quả. Ví dụ, một số lồi vi khuẩn có thể cắt đứt liên kết C-P và dùng Pn như là một nguồn duy nhất trong điều kiện mơi trường hạn chế Pi. Vi khuẩn cũng có liên quan đến q trình chuyển hóa Pt sang Pi. Hơn nữa, nhiều vi khuẩn tham gia kích thích vào q trình tích lũy Pi để hình thành polyP. Mặc dù những chức năng của những vi sinh vật này là những tiềm năng thích hợp để áp dụng vào công nghệ ngăn chặn sự ô nhiễm, tuy nhiên chúng chưa được khai thác một cách đầy đủ cho những mục đích này (Ohtake et al., 1996).
2.6.2. Sơ lƣợc về vi khuẩn polyphosphate
Vi khuẩn polyP được biết như là những sinh vật tích lũy lân (PAOs), vi khuẩn polyP tích trữ lân chủ yếu dưới dạng polyP nội bào. Vi khuẩn được sử dụng trong quá trình “Làm tăng thêm sự loại bỏ lân sinh học” (EBPR) hay “Lấy đi lân dư thừa”. Quá trình này xảy ra khi lân được lấy đi bởi vi khuẩn như là nhu cầu dư thừa của tế bào. Hàm lượng lân trong bùn hoạt tính là xấp xỉ 1-3%. Khi EBPR được sử dụng, lượng lân trong bùn hoạt tính có thể là 6-7% (Gerardi, 2006).
Q trình đồng hóa của EBPR sử dụng 2 nhóm vi khuẩn, vi khuẩn lên men và vi khuẩn polyP, do đó có ít nhất hai bình xử lý được sử dụng trong EBPR, bình kỵ khí và bình hiếu khí. Vi khuẩn lên men kỵ khí bắt buộc hoặc không bắt buộc, trong khi vi khuẩn polyP là hiếu khí nghiêm ngặt. Chìa khóa của EBPR là vi khuẩn polyP với sự xen kẽ điều kiện hiếu khí và kỵ khí. Trong bình kỵ khí, nhu cầu oxi hóa sinh cacbon (carbonaceous biochemical oxygen demand-cBOD) được lên men trong sự vắng mặt của oxy tự do và nitrate, quá trình lên men tạo ra rất nhiều acid béo bay hơi, vi khuẩn polyP nhanh chóng hấp thụ acid béo này và trùng hợp (trữ) acid béo này như là hạt tinh bột không tan (poly-β-hydroxybutyrate (PHB)). PHB trong vi khuẩn polyP có hai nhiệm vụ chính, thứ nhất giúp vi khuẩn sinh trưởng và tạo nên polyP bằng cách lấy đi Pi hòa tan, thứ hai PHB cùng với polyP giúp cho vi khuẩn polyP hiếu khí sống sót trong điều kiện kỵ khí.
Sự trùng hợp của acid béo đòi hỏi sự tiêu dùng năng lượng tế bào của vi khuẩn polyP, sự tiêu dùng này hoặc năng lượng này thì được bẽ gãy hay do sự phóng thích
17 của orthophosphate từ vi khuẩn polyP. Kết quả sự phóng thích orthophosphate từ vi khuẩn polyP là trong bình kỵ khí có chứa hai nhóm lân là lân trong nước thải và lân được phóng thích bởi vi khuẩn polyP.
Trong bình hiếu khí, vi khuẩn polyP sử dụng oxy tự do để làm thoái giảm PHB được tích trữ như là nguồn năng lượng và carbon. Vi khuẩn polyP hấp thu orthophosphate để tích trữ năng lượng được phóng thích từ sự thoái giảm PHB. Lân sau khi hấp thụ được đồng hóa thành đại phân tử và được tích trữ như là hạt nhỏ polyp hay volutin. Sự loại bỏ lân đạt được khi vi khuẩn trong bùn được thải ra từ bình thứ cấp, bùn này không được đưa trở lại bình kỵ khí khi quy trình EBPR được lặp lại. Bằng các hoạt động của vi khuẩn polyP trong điều kiện kỵ khí và hiếu khí, vi khuẩn polyP lấy đi lân dư thừa như là nhu cầu bình thường của tế bào (Gerardi, 2006).
2.6.3. Sự tích lũy polyphosphate ở vi khuẩn
PolyP được tổng hợp bằng con đường sinh học là một chất tổng hợp gồm một dãy Pi vô cơ và phần còn lại được liên kết với một liên kết cao năng phosphoanhydride. Nhiều vi khuẩn có khả năng tích lũy Pi để tạo thành polyP. Một enzyme đóng một vai trò hết sức quan trọng trong quá trình tổng hợp để tạo thành polyP ở Escherichia coli là polyP kinase (PPK)-sử dụng γ-Pi của ATP để kéo dài chuỗi polymer (Kuroda và Ohtake, 2000)
Những lý thuyết truyền thống cho rằng sự loại bỏ lân sinh học (BPR) trong quy trình bùn hoạt tính được thực hiện với pha kỵ khí và pha hiếu khí. Nhóm vi khuẩn này gồm Acinetobacter, Pseudomonas (Kim và Pagilla, 2000; Lin et al., 2003).
Lotter và Murphy (1985) cho rằng Pseudomonas sp., Moraxella sp., Aeromonas
sp…cũng có khả năng tích lũy poly-P ở điều kiện hiếu khí trong bùn hoạt tính.
Những hiểu biết về cơ chế sinh hóa và gen của vi khuẩn chuyển, biến dưỡng lân thì rất cần thiết nhằm tăng khả năng loại thải lân khỏi nước thải. Trước đây, Ohtake et al. đã nhân đoạn gen Klebsiella aerogenes ppk mã hóa PPK lên, nó là một enzyme chủ
chốt trong quá trình tổng hợp poly-P. Năm 1996, Ohtake et al. có bài báo cáo về sự nhân lên của gen K. aerogenes phn- phụ thuộc vào sự phân hủy Pn và q trình oxi hóa Pt, Pseudomonas putida pst mã hóa một đoạn gen và tham gia một cách hiệu quả
18 quá trình biến đổi Pi. Với việc sử dụng những gen này Ohtake et al. đã nghiên cứu tính khả thi của gen cải thiện sự tổng hợp Pi ở P. putida PRS2000.