1.6. VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG CÁC QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI VẬT CHẤT TRONG AO NUÔI THỦY SẢN
1.6.1. Phân huỷ các hợp chất carbon
1.6.2.2. Vi sinh vật tham gia vào quá trình nitrat hóa (Nitrification)
Sau quá trình phân hủy protein amon được sinh ra, trong điều kiện hiếu khí nhờ các vi khuẩn tự dưỡng amon được oxy hoá thành nitrate để cung cấp cho tảo và thực vật bậc cao. Quá trình tự dưỡng của vi khuẩn nitríte hóa (Nitrosomonas, Nitrobacter ) tiến hành như sau :
NH4+ + 1,5 O2 Nitrosomonas NO2 - + 2 H + + H2O + 273 kJ
31
NO2- + 0,5 O2 Nitrobacter NO3- + 75 kJ
Và toàn bộ :
NH4 + 2 O2 NO3 + 2H+ + H2O + 350 kJ
Năng lượng sinh ra được sử dụng để thực hiện các qúa trình sinh tổng hợp, tạo tế bào mới, và một phần thoát nhiệt. Điều kiện chung cho sự phát triển các vi khuẩn nitrite hóa là pH: 5,5 - 9 nhưng tốt nhất là 7,5, khi pH dưới 7 vi khuẩn phát triển chậm lại, oxy hòa tan 0,5 mg/l, nhiệt độ từ 5 - 40oC.
Nitrat là quá trình oxy hóa NH3 thành HNO3. Vi sinh vật nhận được năng lượng cho hoạt động sống của mình thông qua quá trình này. Việc oxy hóa đi kèm với việc đồng hóa CO2. Các vi sinh vật thực hiện quá trình này là các vi sinh vật tự dưỡng hóa năng vô cơ và thuộc loại hiếu khí bắt buộc.
Nitrate hóa được thực hiện qua hai giai đoạn:
Giai đoạn đầu oxy hóa NH3 thành nitrite và được thực hiện bởi một số giống vi khuẩn gọi chung là vi khuẩn nitrite hoá. Một số giống sau đây thường được nhắc tới:Nitrosomonas; Nitrosocystis; Nitrosococcus;
Nitrosolobus; Nitrosospira. Tất cả các vi sinh vật này đều giống nhau về mặt sinh lý - sinh hóa, nhưng khác nhau về đặc điểm, hình thái và cấu trúc tế bào.
Các đại diện của giống Nitrosomonas không sinh nội bào tử, tế bào nhỏ, hình bầu dục, kích thước 0,4-1,0x0,9-2,0m. Trên môi trường lỏng Nitrosomonas trải qua một số phase phát triển tùy thuộc vào một số điều kiện. Hai pha chủ yếu là: phase di động - khi đó tế bào có một tiên mao hay một chùm tiên mao và pha tập đoàn khuẩn nhầy (zooglea) - cấu tạo bởi các tế bào không di động.
Giai đoạn thứ hai của quá trình nitrate hóa liên quan với việc oxy hóa HNO2, thành HNO3. Các vi khuẩn gây ra quá trình này gồm có:
32
Nitrobacter winogradskyi, Nitrobacter agilis, Nitrospina gracilis, Nitrococcus mobilis. Tế bào Nitrobater có đặc điểm đa hình thái (polymorphism): trong dịch nuôi cấy thường có dạng hình que tròn, hình hạt đậu, hình trứng, hình quả lê, di động bằng đơn mao hoặc không di động. Điều đó liên quan đến sự tồn tại ở chung một chu kỳ phát triển xác định đặc trưng đối với các vi khuẩn mọc chồi. Trong những điều kiện không thuận lợi Nitrobacter có thể tạo thành capsule. Việc tạo thành tập đoàn khuẩn nhầy được coi là đặc trưng đối với giống Nitrospina gracilis là những trực khuẩn thẳng, mảnh dẻ có kích thước 0,30,4 x 2,76,5m, thỉnh thoảng hình thành những dạng hình cầu, không di động.
Nitrococcus mobilis là những tế bào tròn, đường kính 1,5m, có 12 tiêm mao.
Vi khuẩn nitrate hóa không sử dụng các hợp chất hữu cơ và chuyển hóa một cách chặt chẽ đối với việc oxy hóa cơ chất thành NH3+ và Nitrate.
Quá trình biến đổi từ amoniac thành nitrate liên quan tới một loạt các phản ứng phức tạp, chúng kiểm soát toàn bộ quá trình chuyển hóa tạo ra sự thiếu hụt của các hợp chất có khả năng sinh ra nitrite trong hệ thống.
Vi khuẩn nitrate hóa là những cơ thể nhạy cảm đặc biệt đối với nhiều chất ức chế. Nhiều tác nhân vô cơ và hữu cơ có thể gây ức chế phát triển và hoạt động của chúng. Nồng độ cao của amoniac và axit nitrate cũng gây ức chế. Ảnh hưởng của pH rất quan trọng, khoảng pH thích hợp nhất cho việc nitrat hóa rất hẹp khoảng 7,5-8,6. Tuy nhiên các hệ thống đã được làm quen với điều kiện pH thấp cũng có thể nitrat hóa một cách hoàn hảo. Nhiệt độ cũng có thể ảnh hưởng rất lớn đến sự sinh trưởng của vi khuẩn nitrate hóa. Tuy nhiên việc đánh giá các ảnh hưởng này là vấn đề khó khăn. Nồng độ oxy hòa tan trên 1mg/l là rất cần thiết cho quá trình nitrate hóa. Nếu hàm lượng oxy hòa tan thấp dưới 1mg/l thì khi đó oxy trở thành yếu tố giới hạn, và quá trình nitrite hóa sẽ xảy ra chậm chạp hoặc dừng hẳn.
33
Vi sinh vật tham gia vào quá trình phản nitrate (denitrification ): Phản nitrat là bước thứ ba của quá trình loại bỏ đạm sau giai đoạn amon hóa, giai đoạn nitrate hóa.
Việc khử nitrogen bằng vi sinh vật thực hiện việc khử nitrate thành nitrogen phân tử gắn liền với việc oxy hóa các chất hữu cơ như đường, rượu, acid hữu cơ thành CO2 và H2O được thực hiện trong điều kiện thiếu oxygen “anoxic”, chất nhận hydrogen cuối cùng là NO3. Năng lượng sinh ra khi oxy hóa cơ chất được vi sinh vật sử dụng trong quá trình hoạt động sống của mình. Quá trình loại nitrat có thể xảy ra cả trong điều kiện hiếu khí lẫn trong điều kiện kỵ khí nhưng đặc biệt mạnh trong điều kiện thiếu khí .
Vi sinh vật thực hiện quá trì loại bỏ nitrate phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên. Chúng phần lớn thuộc các giống: Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium,Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas, và Spirillum. Vi khuẩn loại bỏ nitrate thuộc loại dị dưỡng hóa năng hữu cơ, kỵ khí không bắt buộc, có khả năng khử nitrate đồng hóa (dissimilatory nitrat reduction). Trong điều kiện hiếu khí, vi khuẩn oxy hóa chất hữu cơ, chúng sử dụng oxy không khí làm chất nhận hydrogen cuối cùng. Quá trình khử nitrate chia làm hai bước. Bước đầu tiên biến đổi nitrat thành nitrit, và bước thứ hai tạo ra oxit nitric, oxit nitrat, và khí nitrogen. Ba chất cuối cùng là các sản phẩm dạng khí có thể thải ra khí quyển. Trong hệ thống khử nitrat, hàm lượng oxy hòa tan là một thông số quyết định (critical parameter). Sự có mặt của DO (oxygen hòa tan) sẽ ức chế hệ thống enzym tham gia vào quá trình khử nitrate. Các chất kiềm tạo ra trong quá trình chuyển hóa nitrat thành nitơ dạng khí sẽ làm tăng pH. Độ pH thích hợp nhất nằm trong khoảng giữa 7 và 8 là những điểm tối ưu khác nhau cho các quần thể vi khuẩn khác nhau. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng tới tốc độ khử nitrat và sinh trưởng của vi sinh vật. Các vi sinh vật kể trên rất mẫn cảm đối với những thay đổi nhiệt độ.
Quá trình khử nitrate sinh hóa là giai đoạn khử nitơ chính trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp, và các hệ thống tự làm sạch trong tự
34
nhiên trên mặt đất và hệ thống nước ngầm. Để đạt được việc khử nitrat tối đa, các điều kiện cần thiết là: thiếu khí, tỷ lệ carbon/ nitơ tối thiểu là 2/1 (dựa vào TOC và tổng số N)[36].