4.3 Vi sinh vật học của quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện
4.3.1 Các nhĩm vi sinh vật chủ yếu trong giai đoạn thuỷ phân
Các nhĩm này được gọi chung là vi khuẩn thuỷ phân, chúng rất đa dạng về chủng loại và cĩ khả năng tiết ra enzyme đặc hiệu để phân huỷ cơ chất trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ khác nhau. Bởi vì những nhĩm vi khuẩn khác nhau thì sinh sản theo các phương thức khác nhau, thời gian tồn tại của tế bào ngắn hoặc dài khác nhau
Các chất hữu cơ trong nước thải
Hydratcacbon Lipid Protein
Đường đơn Acid béo Amino acid
Acetyl CoA
Chu trình Krebs
CO2 H2O Năng lượng Pyruvate
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
nên hiệu quả phân huỷ thay đổi phụ thuộc vào số lượng vi khuẩn và enzyme đặc hiệu tương ứng với cơ chất.
Trong quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ, để vi sinh vật cĩ thể sử dụng được, chất nền đơn giản phải là chất hồ tan, cĩ cấu trúc đơn giản và dễ dàng đi vào tế bào vi khuẩn. Vắ dụ, các chất nền đơn giản như acetate (CH3COOH), ethanol (CH3CH2OH) và glucose (C6H12O6), những chất này cĩ thể bị phân huỷ bởi enzyme nội bào dễ dàng. Bên cạnh đĩ, một số chất nền phức tạp khác là những chất khơng tan được hoặc ắt tan, cĩ cấu trúc phức tạp và khơng thể đi vào tế bào vi khuẩn trực tiếp được. Vắ dụ như cellulose, lipid (chất béo và dầu), protein và disaccharide (lactose và maltose). Những chất này cần phải được thuỷ phân thành các chất đơn giản hơn rồi mới cĩ thể được vi sinh vật phân giải.
Vi khuẩn thuỷ phân chủ yếu là vi khuẩn Gram dương, hình que, sống hiếu khắ hoặc kỵ khắ, cĩ khả năng phân huỷ các chất ắt tan và các chất phức tạp như thuỷ phân cacbonhydrate thành đường, thuỷ phân lipid thành acid béo và glycerin, thuỷ phân protein thành acid amin. Để làm được điều này, các vi khuẩn thuỷ phân cĩ khả năng sản xuất ra enzyme ngoại bào đặc hiệu như amilaza thuỷ phân tinh bột, lipase thuỷ phân lipid, proteaza thuỷ phân protein. Chất cĩ phân tử càng phức tạp thì thời gian thuỷ phân càng dài.
Giai đoạn thuỷ phân thực hiện 2 nhiệm vụ quan trọng trong các cơng trình xử lý sinh học. Thứ nhất, giai đoạn thuỷ phân làm nhiệm vụ biến đổi và hồ tan các cơ chất phức tạp thành cơ chất đơn giản bởi vì vi sinh vật chỉ cĩ thể hấp thụ và phân giải các cơ chất ở dạng hồ tan mà thơi. Thứ hai, trong bất kỳ cơng trình xử lý sinh học nào cũng tồn tại một số lượng nhất định các vi khuẩn bị chết và giai đoạn thuỷ phân sẽ hồ tan và phân giải các thành phần tế bào đã chết đĩ, do vậy tránh được sự tắch luỹ các tế bào (chết) này.
Trong xử lý sinh học, sự thuỷ phân chất nền phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Tắnh đa dạng về lồi của các vi khuẩn và enzyme tương ứng. - Số lượng enzyme tiết ra cĩ đủ hay khơng.
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
- Các điều kiện vận hành cĩ nằm trong khả năng cho phép hay khơng. - Cấu trúc phân tử của chất nền.
Các chất nền cĩ độ hồ tan cao và cấu trúc đơn giản được thuỷ phân trước. Vắ dụ, đường là chất được phân giải trước vì các điều kiện sau:
- Tất cả các ezyme xúc tác cần thiết đã cĩ sẵn trong mơi trường. - Tốc độ phản ứng sinh hố nhanh.
- Điều kiện sống thuận lợi cho vi khuẩn.
Các chất như kitin, chất béo được thuỷ phân chậm hơn.
Vi sinh vật thuỷ phân tinh bột
Trong nước thải cĩ rất nhiều nhĩm vi sinh vật cĩ khả năng thuỷ phân tinh bột. Một số vi sinh vật cĩ khả năng tiết ra mơi trường đầy đủ các loại enzyme trong hệ enzyme
amilaza như một số loại nấm thuộc chi Aspergillus, Fusarius, Rhizopus,
ActinomycesẦ Trong nhĩm vi khuẩn cĩ một số lồi thuộc chi Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas, AzotobacterẦ Xạ khuẩn cũng cĩ một số chi cĩ khả năng phân huỷ tinh
bột.
Đa số các vi sinh vật khơng cĩ khả năng tiết đầy đủ hệ enzyme amilaza phân huỷ tinh bột. Chúng chỉ cĩ thể tiết ra mơi trường một hoặc một vài men trong hệ đĩ. Vắ dụ
như các lồi Aspergillus candidus, A. niger, A. oryzae, Bacillus subtilis, B.
mesenterices, Clostridium pasteurianum, C. butiricumẦ chỉ cĩ khả năng tiết ra mơi
trường một loại enzyme α Ờ amilaza. Các lồi Aspegillus oryzae, Clostridium
acetobutilicumẦ chỉ tiết ra mơi trường β Ờ amilaza. Một số lồi khác chỉ cĩ khả năng
tiết ra mơi trường enzyme glucoamilaza. Các nhĩm này liên kết với nhau trong quá trình phân huỷ tinh bột thành đường.
Giống Pseudomonas là những trực khuẩn gram âm, chuyển động do cĩ tiên mao
mọc ở một đầu. Trực khuẩn cĩ thể là hình que thẳng hoặc hơi cong, khơng tạo thành bào tử và phát triển ở điều kiện hiếu khắ. Nhiều lồi của giống này ưa lạnh, nhiệt độ tối thiểu là -2 đến 5oC, tối thắch là 20 Ờ 25oC. Tất cả Pseudomonas đều cĩ hoạt tắnh
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
mơi trường dưới 5,5 sẽ kìm hãm vi khuẩn Pseudomonas phát triển và kìm hãm sinh
tổng hợp proteaza. Nồng độ muối trong nước tới 5 Ờ 6% thì sinh trưởng của vi khuẩn này bị ngừng trệ.
Vi khuẩn Bacillus cũng tồn tại khá lâu trong nước thải và phân huỷ được nhiều
dạng các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là protein và tinh bột. Là trực khuẩn rất phổ biến
trong tự nhiên, hay gặp nhất là Bacillus subtilis (trực khuẩn khoai tây) và Bacillus
mesentericus (trực khuẩn cỏ khơ). Chúng cĩ hình que, gram dương, sinh bào tử đứng
riêng rẽ hoặc kết thành chuỗi hoặc thành sợi, là giống sinh bào tử, sống hiếu khắ hoặc
kỵ khắ tuỳ tiện, thường sinh enzyme proteaza và amilaza. Hai lồi Bacillus này tăng
trưởng trong khoảng nhiệt độ từ 5 - 50oC cĩ nhiệt độ sinh trưởng thắch hợp là 35 Ờ 45oC. Ở mơi trường cĩ pH dưới 4,5 chúng ngừng phát triển.
Vi sinh vật thuỷ phân protein
Muốn phân giải protein, cũng giống như các hợp chất cao phân tử khác, đầu tiên các vi sinh vật phải tiết ra các men phân giải protein ngoại bào và làm chuyển hố protein thành các hợp chất cĩ phần tử nhỏ hơn (các polypeptide, olygopeptid). Các chất này tiếp tục được phân huỷ thành acid amin nhờ các men peptidaza ngoại bào.
Cĩ rất nhiều lồi vi sinh vật tham gia phân huỷ protein, trong đĩ đáng chú ý là
các lồi sau:
- Vi khuẩn: Bacillus mycoides, B. mesentericus, B. subtilis, B.cereus, B. megaterium,
Proteus vulgaris, Chromobacterium prodigiosum, Pseudomonas fluorescens, P. aeruginosa, Alcaligenes, Flavobacterium Ầ
- Xạ khuẩn và nấm: Streptomyces griseus, S. rimosus, S. fradiae, Aspergillus oryzae,
A. flavus, Penicillium camemberti, CeplialotheciumẦ
Vi sinh vật thuỷ phân lipid
Lipid (este phức tạp của glycerin và acid béo) được nhiều lồi vi khuẩn sử dụng. So với các cơ chất khác thì đây là cơ chất được thuỷ phân với tốc độ chậm. Bước đầu tiên để phân huỷ lipid là phân giải chúng thành glycerin và các acid béo được xúc tác nhờ enzyme lipase nội bào hoặc ngoại bào.
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Các vi sinh vật tham gia thuỷ phân lipid chủ yếu là các lồi sau: Pseudomonas,
Vibrio, Sarcina, Serratina, Bacillus, Achromobacter, MicrococusẦ
Vibrio là vi khuẩn hiếu khắ tuỳ tiện, phần lớn thuộc gram âm, hình dạng thuộc
phảy khuẩn, cĩ khả năng di động nhanh và khơng tạo bào tử.
Serratina tế bào cĩ hình cầu phân cách theo 3 mặt phẳng trực giao với nhau tạo thành những khối từ 8 - 16 tế bào (hoặc nhiều hơn nữa), khơng cĩ khả năng di động và khơng sinh bào tử.