1.3.1 Quá trình phân giải các chất giàu protein nhờ vi sinh vật 1.3.1.1 Qúa trình amon hóa protein
Trong các nguồn nước luôn xảy ra quá trình amon hóa protein nhờ các vi khuẩn amon hóa có enzyme protease ngoại bào phân hủy protein thành các hợp chất đơn giản hơn là polypeptide, oligopeptide. Quá trình này có thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí.
* Cơ chế :
Nhóm vi sinh vật phân hủy protein có khả năng tiết ra enzyme protease bao gồm proteinase và peptidase. Enzyme protease xúc tác quá trình thuỷ phân liên kết liên kết peptide (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptide tạo sản phẩm là axit amin. Ngoài ra, nhiều protease cũng có khả năng thuỷ phân liên kết este và vận chuyển axit amin.
Dưới tác dụng của enzyme proteinase phân tử protein sẽ được phân giải thành các polypeptide và oligopeptide. Các chất này hoặc tiếp tục phân hủy thành các axit amin nhờ enzyme peptidase ngoại bào hoặc được tế bào vi khuẩn hấp thụ rồi sau đó được phân hủy tiếp thành các axit amin trong tế bào. Một phần các axit amin được tế bào vi khuẩn sử dụng để tổng hợp protein tạo sinh khối. Một phần các axit amin theo các con đường phân giải khác nhau để sinh NH3, CO2 và các sản phẩm trung gian khác. Với các protein có chứa S, nhờ enzyme desulfurase của nhóm vi khuẩn lưu huỳnh và các nhóm dị dưỡng hiếu khí khác, sẽ bị phân hủy tạo H2S, scatol, indol hay mercaptan .
1.3.1.2 Enzyme protease của vi sinh vật
Protease là enzyme được sử dụng nhiều nhất hiện nay trong một số ngành sản xuất như: chế biến thực phẩm (đông tụ sữa làm pho mát, làm mềm thịt, bổ sung để làm tăng chất lượng sản phẩm trong sản xuất bia, xử lý phế phụ phẩm trong chế biến thực phẩm…), sản xuất chất tẩy rửa, thuộc da, y tế, nông nghiệp,
làm sạch môi trường… Trong đó, lượng protease sản xuất từ vi khuẩn được ước tính vào khoảng 500 tấn, chiếm 59% lượng enzyme được sử dụng.
Ưu điểm lớn nhất của protease từ vi sinh vật là phong phú về chủng loại, có tính đặc hiệu rộng rãi, cho sản phẩm thuỷ phân triệt để và đa dạng. Tuy nhiên, hệ protease vi sinh vật lại phức tạp, bao gồm nhiều enzyme giống nhau về cấu trúc, khối lượng và hình dạng phân tử nên rất khó tách ra dưới dạng tinh thể đồng nhất.
Đối với sinh lý của vi sinh vật, protease đóng vai trò rất quan trọng. Có 2 loại protease là protease ngoại bào và protease nội bào với các chức năng như sau:
a. Protease ngoại bào của vi sinh vật tham gia các quá trình phân giải ngoại bào các protein để tạo ra các axit amin
Các axit amin này sẽ được đưa vào trong tế bào tham gia tổng hợp sinh khối hoặc cũng có thể bị phân giải để giải phóng năng lượng và sản phẩm bậc 2.
Sự phân giải protein còn có ý nghĩa loại trừ tác động độc hại của protein, vì trong tự nhiên tồn tại một số protein khá độc đối với vi sinh vật hoặc tham gia quá trình kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật.
Hình 1.3 - Quá trình hoạt động protease ngoại bào
b. Protease nội bào của vi sinh vật tham gia quá trình cải biến protein, enzyme, tạo ra các quá trình cung cấp năng lượng, vật liệu xây dựng, và sự tạo thành bào tử của vi sinh vật
Protease nội bào có thể tham gia vào việc hoàn thiện các chuỗi polypeptide đã được tổng hợp như: tách gốc, tách một số gốc axit amin khỏi đầu N của chuỗi polypeptide đã được tổng hợp. Protease nội bào tham gia phân hủy các protein nội
bào không còn tác dụng trong quá trình sinh lý của vi sinh vật. Ngoài ra chúng còn có thể tham gia vào một số quá trình tạo vỏ tế bào của vi sinh vật.
Hình 1.4 - Quá trình hoạt động protease nội bào
* Phân loại Protease
Năm 1960, Hartley chia protease ra bốn nhóm dựa trên thành phần cấu tạo của trung tâm hoạt động trong enzyme protease.
Protease nhóm 1: Nhóm này bao gồm các loại protease có xerin trong trung tâm hoạt động (bao gồm các loại enzyme tripsin, kimotripsin, elastase, subtilizi, các enzyme xúc tác làm đông máu, acrozin,...)
Protease nhóm 2: Bao gồm các protease có nhóm SH trong trung tâm hoạt động (bao gồm bromelin, papain, fixin, ...)
Protease nhóm 3: Bao gồm các protease có kim loại trong trung tâm hoạt động và trực tiếp tham gia các quá trình xúc tác (bao gồm các protease trung tính của Bacillus)
Protease nhóm 4: bao gồm các protease có nhóm α – cacboxil trong trung tâm hoạt động. Nhóm này gồm pepsin, renin, protease axit của vi sinh vật.
Như vậy, tùy theo vùng hoạt động pH của enzyme protease mà các protease tồn tại ở dạng protease axit, protease trung tính, protease kiềm.
1.3.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng vi sinh vật trong xử lý nước thải 1.3.2.1 Trên thế giới
Nhiều vi khuẩn tạo bông như Zoogloea đã được phân lập. Kiuchi và cộng sự đã phân lập 92 chủng vi khuẩn từ bùn hoạt tính và chọn được 12 chủng có khả năng tạo bông. Kato và cộng sự đã phân lập 140 chủng vi khuẩn bùn hoạt tính và chọn được 8-12 chủng kết bông trên môi trường có thành phần khác nhau.
Fujita và nhiều nhà nghiên cứu khác ở Nhật đã nghiên cứu sự tạo hạt của nấm Aspergillus niger trong quá trình nuôi lắc, đánh giá sinh khối hạt và sử dụng hạt để xử lý nước thải tinh bột, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xuất xữ lý nước thải tinh bột của hạt nấm. Bên cạnh đó, còn có hàng loạt chế phẩm sinh học, tăng cường xử lý nước thải công nghiệp, nước thải chế biến thực phẩm và nuôi trồng thủy sản đang được thương mại hóa trên thế giới và Việt Nam như:
BZT Petrobac, EPICI, BRF2 của Mỹ, EM và Boksi của Nhật.
1.3.2.2 Tại Việt Nam
Trong khoảng 10 năm trở lại đây, vấn đề nghiên cứu và ứng dụng vi sinh vật trong xử lý chất thải đã được nhiều nhà khoa học và công nghệ quan tâm. Tại trung tâm công nghệ sinh học- đại học quốc gia Hà Nội đã nghiên cứu thành phần vi sinh vật trong chế phẩm EM của Nhật kết hợp với xạ khuẩn để tạo ra chế phẩm mới EMUNI ứng dụng trong xử lý chất thải làm phân bón hữu cơ vi sinh. Tại viên Công nghệ sinh học- Viện khoa học và công nghệ Việt Nam, Lý Kim Bảng và cộng sự đã phân lập tuyển chọn vi khuẩn và xạ khuẩn chịu nhiệt phân hủy cenluloze tạo chế phẩm Micromic 3 bổ sung vào hệ thống xử lý rác thải sinh hoạt làm tăng tỷ lệ mùn hữu cơ và rút ngắn thời gian ủ. Như vậy, nhiều chế phẩm sinh học được ra đời góp phần hữu hiệu vào xử lý nước thải, rác thải giảm ô nhiễm môi trường.