4.3 VI SINH VẬT HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ
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.
4.3.2 Các nhĩm vi sinh vật oxy hố cơ chất
Một số vi sinh vật vừa đảm nhiệm chức năng thuỷ phân cơ chất đồng thời oxy hố cơ chất. Trong khi đĩ, một số nhĩm vi sinh vật khác chỉ cĩ thể oxy hố cơ chất mà thơi.
Vi sinh vật oxy hố đường đơn
Các nhĩm vi sinh vật hiếu khắ cĩ khả năng phân huỷ triệt để các loại đường đơn thành CO2 và H2O qua chu trình Krebs.
Các lồi vi khuẩn điển hình cĩ khả năng oxy hố các loại đường đơn là Sphaerotilus
natans, S. discophorous, Azotobacter, Beijerinckia, và một số chủng Bacillus như
Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus, Bacillus megatherium, Bacillus mycoidesẦ - Sphaerotilus natans là vi khuẩn Gram âm, khơng sinh bào tử, hình que, kắch thước
khoảng 4 Ờ 10 μm, bên ngồi cĩ vỏ bọc dày. Vỏ là phức protein Ờ polysaccharide Ờ lipid được bao bọc xung quanh tế bào được cấu tạo từ polysaccharide đơn giản hơn với thành phần chất dinh dưỡng khơng ổn định.
- Azotobacter cĩ tế bào từ hình que tới hình cầu, khi cịn non tế bào cĩ hình que với
kắch thước khoảng 2 Ờ 7 μm, di động nhờ tiên mao mọc khắp cơ thể, khi già tế bào mất khả năng di động, kắch thước thu nhỏ lại như hình trịn, là lồi ưa mặn. Chúng cĩ khả năng vừa thuỷ phân tinh bột đồng thời oxy hố các loại đường đơn.
Vi sinh vật oxy hố amino acid
Quá trình phân giải amino acid chỉ cung cấp một phần nhỏ năng lượng. Để oxy hố các amino acid trước hết phải làm mất nhĩm NH2, sản phẩm của q trình oxy hố này
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
là CO2 và H2O qua chu trình Krebs. Do đĩ, về tổng thể quá trình phân giải amino acid khơng khác q trình phân giải glucose và acid béo, chỉ khác là amino acid cĩ chứa nhĩm NH2.
Sau q trình oxy hố các amino acid, NH2 bị khử thành NH3 hoặc NH4+ nhờ nhĩm vi khuẩn amin hố. Sau đĩ, NH4+ bị oxy hố thành NO2- nhờ nhĩm vi khuẩn nitrit hố. Cuối cùng, NO2- tiếp tục bị oxy hĩ thành NO3- nhờ vi khuẩn nitrate hố.
Các lồi vi sinh vật cĩ khả năng oxy hố các amino acid điển hình như: Leuconostoc
citrovorum, Staphylococus, Lactobacterium casei, Streptococus fuecalis, Arozobacter, Beijerinckia, Bacillus faecalis, Proteus zenkerii Ầ
Beijerinckia là lồi vi khuẩn hiếu khắ, tế bào cĩ hình dạng khơng ổn định, thuộc vi
khuẩn Gram âm,khơng sinh bào tử, là lồi cĩ khả năng chịu được trong mơi trường cĩ độ chua cao. Chúng cĩ khả năng thuỷ phân tinh bột và oxy hố các acid amin cao.
Streptococcus là vi khuẩn hiếu khắ, tế bào cĩ dạng hình cầu, chúng phân cách theo
một mặt phẳng xác định và dắnh với nhau thành từng chuỗi một dài, thuộc vi khuẩn Gram dương. Khơng cĩ khả năng di động và khơng sinh bào tử. Chúng cĩ khả năng thuỷ phân protein, đồng thời cĩ khả năng oxy hố các amino acid.
Các vi khuẩn nitrate hố điển hình là các lồi:
- Nhĩm vi khuẩn nitrit hố bao gồm 4 chi khác nhau: Nitrozomonas, Nitrozocystis,
Nitrozolobus và Nitrosospira. Chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, khơng cĩ khả
năng sống trên mơi trường thạch nên phải dùng silicagel khi phân lập.
- Nhĩm vi khuẩn nitrate hố bao gồm 3 chi khác nhau: Nitrrobacter, Nitrospira và
Nitrococcus. Ngồi ra, cịn cĩ một số lồi vi khuẩn và xạ khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Cyronebacterium, StreptomycesẦ
Vi sinh vật oxy hố các acid béo
Việc phân huỷ các acid béo được thực hiện nhờ q trình oxy hố. Acid béo dưới sự xúc tác của enzyme axyl Ờ CoA Ờ cintetaza, CoA và ATP sẽ được hoạt hố và tạo thành Acyl Ờ CoA chứa các liên kết cao năng. Sau đĩ chất trung gian này được tiếp tục phân giải qua các bước oxy hố,cứ qua một bước oxy hố hồn tồn chuỗi phân tử của
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
acid béo lại mất đi 2 cacbon, cuối cùng tồn bộ chuỗi cacbon bị chuyển hố thành acetyl Ờ CoA. Chất này tiếp tục được oxy hố thơng qua chu trình Krebs để tạo thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O.
Nhiều loại nấm mốc thuộc các chi Penicillium và Aspergillus và các lồi nấm
Leptomitus lacteus, Fusarium aquaeducturm cĩ thể oxy hố acid béo một cách triệt để
tạo thành CO2 và H2O.
4.3.3 Một số vi sinh vật chỉ thị trong các cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khắ pháp sinh học hiếu khắ
Trùng biến hình (trùng chân giả)
Đặc điểm: Hình dạng rất phong phú, kắch thước từ 10 - 200μm và di chuyển bằng chân giả. Một số lồi cĩ vỏ cứng, trên cĩ các vân như hoa văn nên người ta gọi là
trùng biến hình cĩ vỏ, vắ dụ như Arcella thường gặp trong bùn hoạt tắnh.
Vai trị: Trùng biến hình phát triển mạnh dựa trên một số loại vật chất hữu cơ đặc thù và cĩ khả năng chịu được những mơi trường cĩ oxi hồ tan thấp. Do đĩ một sự nở rộ các lồi trùng biến hình cĩ thể chỉ thị trong nước thải cĩ một lượng lớn các vật chất hữu cơ dạng tinh bột (như nước thải giấy, bột giấy), men (nước thải bia) và chất gây thối (nước thải đơ thị).
Trùng roi
Đặc điểm: Cĩ kắch thước nhỏ từ 5 - 20μm, cĩ hình oval hoặc dạng thon dài, di chuyển và cĩ thể di chuyển rất nhanh nhờ một hoặc nhiều roi dài, khi di chuyển thường rung cơ thể.
Vai trị: đã quan sát thấy nhiều lồi trùng roi trong hệ thống phân huỷ vi sinh hiếu khắ ưa sử dụng các chất hữu cơ hồ tan, do đĩ sự hiện diện của chúng cĩ thể chỉ thị cho nồng độ cao của BOD trong nước. Nhiều lồi trong số chúng cĩ thể hiện diện ở điều kiện oxy hồ tan thấp và tải trọng hữu cơ cao.
Trùng tiên mao (trùng cỏ, trắch trùng, mao trùng). + Nhĩm bơi tự do và nhĩm bị:
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Đặc điểm: cĩ dạng hình oval, kắch thước từ 20 - 400μm, chuyển động rất linh hoạt nhờ các hàng tiên mao trơng như lơng tơ. Đối với nhĩm bị, các tiên mao của chúng gắn vào một mặt của cơ thể giúp chúng cĩ thể bị trên bề mặt của các bơng bùn hoạt tắnh.
Vai trị: hai nhĩm này thường được tìm thấy trong những điều kiện bơng bùn hình thành tốt và nĩi chung là cĩ thể chỉ thị cho hoạt động của bùn hoạt tắnh đạt hiệu quả tốt. Trùng cỏ rất nhạy cảm và sự cĩ mặt hay vắng mặt của chúng cĩ thể chỉ thị cho các chất độc hại trong mơi trường.
+ Nhĩm cĩ cuốn:
Đặc điểm: chúng xuất hiện dưới những điều kiện gần với các nhĩm bơi tự do. Thường được nhìn thấy thân cắm vào bơng bùn, thân thẳng hoặc co rút để bắt thức ăn, đầu cĩ hình chng hoặc hình hoa tulip, miệng há to ra và vươn ra mơi trường bắt mồi, trên miệng của chúng cũng cĩ một hàng tiên mao giúp chúng bắt thức ăn. Một số lồi
cĩ cuống chỉ cĩ một chng trên một thân như Vorticella spp trong khi các lồi khác cĩ thể cĩ nhiều cá thể trên cùng một thân như Epistylis spp và Opercularia spp.
Vai trị: trùng cỏ cĩ cuống thường xuất hiện ở tải trọng thấp (thời gian lưu bùn cao). Mỗi lồi đơn lẻ cĩ thể chỉ thị cho một khoảng thời gian lưu bùn khác nhau. Các dạng đám chuơng thường xuất hiện ở thời gian lưu bùn cao. Hơn thế nữa trùng tiên mao cĩ
cuống đĩng một vai trị quan trọng trong việc loại bỏ Escheria coli từ nước thải.
Vorticella là trùng cĩ cuống, cĩ ắt nhất 12 lồi được tìm thấy trong hệ thống phân
huỷ vi sinh hiếu khắ. Những vi sinh vật này cĩ hình oval hoặc trịn, cĩ cuống, cĩ thể co rút lại, một đầu cĩ vịm lấy thức ăn và một hốc nhỏ lấy nước gần cuối lỗ lấy thức ăn.
Nếu điều kiện quá trình xử lý xấu như DO thấp hay cĩ độc chất, Vorticella sẽ bỏ
cuống của chúng. Do đĩ một cụm khơng cĩ cuống sẽ chỉ thị trạng thái nghèo cơ chất
của hệ thống bùn hoạt tắnh. Một số lồi như V. microtome chỉ khối lượng chất hữu cơ
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Paramecium là trùng cuốn bơi tự do thường thấy trong bùn hoạt tắnh. Paramecium
loại bỏ vi khuẩn khỏi nước thải, lồi này thường cĩ trong điều kiện mơi trường với chất lượng dịng nước như sau:
BOD : 0 Ờ 30mg/l. NH3: 0 Ờ 20 mg/l
P. aurelia đượctìm thấy chỉ khi nước thải cĩ BOD dưới 10 mg/l. P.trichium được
tìm thấy khoảng 40% khi BOD dưới 10 mg/l, 30% khi BOD khoảng 10 - 20 mg/l, 20%
khi BOD khoảng 21 Ờ 30%, 10% khi BOD > 30 mg/l. Vì thế P. aurelia chỉ thị chất