Thời gian Giá trị log của số lượng vi khuẩ n Giai đoạn phát triển chậm Giai đoạn tăng trưởng theo quy luật logarit Giai đoạn ổn định Giai đoạn chết theo logarit
Vi khuẩn vào mơi trường chưa sinh sản ngay mà cịn cần một thời gian làm quen với mơi trường, cần cảm ứng sinh tổng hợp các enzyme thích hợp với cơ chất.
X = X0 X: mật độ tế bào ở thời điểm t.
X0: mật độ tế bào ở thời gian t = 0. Tốc độ sinh trưởng = 0 → dXdt 0
3.3.2 Giai đoạn phát triển theo số mũ.
Các tế bào vi khuẩn sinh sản theo cách phân đơi tế bào đạt đến mức độ cao nhất theo tỉ lệ tái tạo tế bào với nồng độ cơ chất khơng hạn chế. Tốc độ sinh trưởng tính theo % là khơng đổi, giai đoạn này được đánh giá bởi thời gian sinh trưởng tg (thời gian để tăng gấp đơi số lượng vi khuẩn tối thiểu). Ở giai đoạn này tốc độ sinh trưởng dX/dt tăng tỉ lệ thuận với X (từ đĩ cĩ được đường cong hàm số mũ).
Ta cĩ phương trình sau:
m X
dt
dX . 1
Với μm là tỉ lệ sinh trưởng cực đại hoặc log ( 2 1) 1 2 m t t X X
Thời gian sinh trưởng tg được xác định với X2 = 2X1→ tg = m m
693 , 0 2 log 3.3.3 Giai đoạn chậm dần
Trong giai đoạn này cơ chất dinh dưỡng trong mơi trường đã cạn gần hết cùng với sự biến mất một hay vài thành phần cần thiết cho sự sinh trưởng của vi khuẩn. Trong một số trường hợp, phát triển chậm dần là do trong mơi trường tích tụ các sản phẩm ức chế được sinh ra trong quá trình chuyển hố chất trong tế bào vi khuẩn. X tiếp tục tăng, nhưng dXdt lại giảm.
3.3.4 Giai đoạn ổn định.
X (mật độ tế bào) đạt tới trị số cực đại Xmax. Sự sinh trưởng dừng lại ngay cả khi các tế bào vẫn cịn hoạt động chuyển hố nào đĩ.
Ở giai đoạn này các cất dinh dưỡng đã hết. Mật độ tế bào giảm do các tế bào già bị chết và tỉ lệ chết cứ tăng dần lên. Tế bào vi khuẩn bị phân huỷ nội sinh hoặc hơ hấp nội bào và bị tự phân.
Các giai đoạn và các phương trình biểu diễn sự phát triển từng giai đoạn áp dụng cho cả mơi trường hiếu khí và kị khí. Gía trị của các thơng số phụ thuộc vào các lồi vi sinh vật, hàm lượng cơ chất và nhiệt độ, pH của mơi trường vi sinh vật sống.
CHƯƠNG 4: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG VI SINH VẬT TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ
4.1 MƠ TẢ QUÁ TRÌNH
Trong nước thải sinh hoạt, nước thải của các xí nghiệp chế biến nơng sản, thực phẩm, thuỷ sản, các trại chăn nuơi…rất giàu các chất hữu cơ, gồm 3 nhĩm chất chủ yếu: protein 40 – 50%, hydratcacbon 50% và chất béo 10%. Protein là polymer của các acid amin. Hydratcacbon bao gồm các chất đường, bột và xenlulozơ. Tinh bột và đường rất dễ bị phân huỷ bởi vi sinh vật, cịn xenlulozơ bị phân huỷ muộn hơn và tốc độ phân huỷ cũng chậm hơn rất nhiều. Chất béo ít tan bị vi sinh vật phân giải với tốc độ rất chậm. Trong nước thải cĩ khoảng 20 – 40% hàm lượng các chất hữu cơ khơng bị phân huỷ bởi vi sinh vật.
Số lượng các vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, cĩ trong nước thải vào khoảng 105 – 109 tế bào/ml. Các vi sinh vật muốn phân huỷ được các chất hữu cơ trước hết chúng phải cĩ khả năng tiết ra các enzyme tương ứng. Muốn thuỷ phân protein, các vi sinh vật phải tạo ra enzyme proteaza, thuỷ phân tinh bột là các enzyme thuộc họ amilaza, thuỷ phân chất béo là enzyme lipaza…Sản phẩm thuỷ phân là các chất đường đơn, các acid amin, các acid béo… và năng lượng.
Đĩ là các sản phẩm cĩ khối lượng phân tử thấp cĩ thể đi qua màng vào bên trong tế bào. Qúa trình này gọi là quá trình phân huỷ ngoại bào hay quá trình thuỷ phân. Các chất này được tiếp tục phân huỷ hoặc chuyển hố thành các chất vật liệu xây dựng tế bào mới. Các quá trình này xảy ra trong tế bào thường gọi là quá trình nội bào, đĩ thực chất là các quá trình oxi hố – khử sinh học (quá trình hơ hấp nội bào). Sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước.
4.2 HỐ SINH HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ
Sự phân giải chất dinh dưỡng và giải phĩng năng lượng của tế bào vi khuẩn (sự dị hố) cĩ thể được chia thành 2 giai đoạn cơ bản:
4.2.1 Giai đoạn thuỷ phân (phân huỷ ngoại bào):
Quá trình này xảy ra bên ngồi tế bào,các hợp chất cao phân tử dưới sự tác động của các enzyme ngoại bào do vi sinh vật tiết sẽ ra bị thuỷ phân thành các chất đơn giản cĩ khối lượng phân tử nhỏ hơn để cĩ thể đi qua màng vào bên trong tế bào chất.
- Hydrocacbon: (tinh bột, glucogen…) quá trình thuỷ phân của chất bột tương đối đơn giản hơn chất đạm, béo, dưới tác dụng của enzyme amilaza tinh bột bị thuỷ phân thành các đường đơn giản, cụ thể theo phương trình sau:
+ Nếu cĩ nhiều oxy:
(C6H10O5)n → n C2H12O6 → 6CO2+ 6H2O + 674 Kcal + Nếu cĩ ít oxy:
n(C6H10O5) → n C6H12O6 → 2n C2H5OH + 2n CO2 + 24 Cal Và C2H5OH → CH2COOH
- Protein: bị thuỷ phân thành các hợp chất đơn giản hơn là các polypeptit, oligopeptit. Các chất này được tiếp tục thuỷ phân thành các acid amin nhờ men peptidaza ngoại bào hoặc được tế bào hấp thụ, sau đĩ được phân huỷ tiếp trong tế bào thành các acid amin.
- Lipid: bị thuỷ phân chậm hơn so với hydratcacbon và protein, quá trình thủy phân tiến hành từ từ,dưới tác dụng của enzyme lipase, lipid kết hợp với 1 phân tử nước giải phĩng 1 acid béo rồi kết hợp với phân tử nước thứ hai, thứ ba và giải phĩng acid béo thứ hai rồi thứ ba tạo thành glycerin và các acid béo.
Protein
Enzyme phângiải
Protein ngoại bào
Polypeptide Olygopeptid
Peptidaza
CH2OOCR1 CH2OH │ │
CHOOCR2 + H2O → CHOOCR2 + HOOCR1 │ │
CH2OOCR3 CH2OOCR3
CH2OH CH2OH │ │
CHOOCR2 + H2O → CHOH + HOOCR2 │ │
CH2OOCR3 CH2OOCR3
CH2OH CH2OH │ │
CHOH + H2O → CHOH + HOOCR2 │ │
CH2OOCR3 CH2OH
Glyxerin Acid béo
Giai đoạn thuỷ phân các chất hữu cơ cĩ thể biểu diễn ngắn gọn như sau:
Hình 4.1 Tiến trình thuỷ phân của vi sinh vật trong nước thải 4.2.2 Giai đoạn oxy hố
Quá trình oxi hố – khử do hệ enzyme nội bào xúc tác – Xitocrom và Xitocromoxidaza. Các enzyme oxi hố – khử này gồm cĩ 2 cấu tử: nhĩm chính và nhĩm phụ. Nhĩm phụ - coenzyme, là flavin – adenine – dinucleotid (FAD). Các enzyme này tách H+ ra khỏi phân tử enzyme kết hợp với oxy tạo thành nước, nhờ
Các chất hữu cơ trong nước thải
Lipid
Hydratcacbon Protein
Acid béo
cĩ oxy và nước mà các phản ứng oxy hố khử giữa các nguyên tử cacbon mới xảy ra được. Hệ thống enzyme này rất quan trọng, vì chúng xúc tác cho các phản ứng oxi hố – khử đảm bảo cho đời sống và phát triển của các vi khuẩn hiếu khí cĩ chuỗi hơ hấp nội bào.
Giai đoạn này biến những chất đơn giản thu được sau giai đoạn thuỷ phân thành những chất 2 carbon là acetyl CoA. Acetyl CoA được coi là sản phẩm thối hố của các chất glucid, lipid và protein. Nĩ được hình thành do sự β – oxi hố acid béo, do sự oxy hố của khoảng một nửa số α – amino acid cũng như do sự oxy hố hiếu khí glucose.
Acetyl CoA được hình thành ở giai đoạn này sẽ bị oxy hố hồn tồn trong chu trình Krebs (chu trình citrate) để hình thành CO2, H2O và giải phĩng năng lượng. Phần lớn năng lượng được giải phĩng ở giai đoạn này (khoảng 2/3 tổng năng lượng của quá trình).
Trong giai đoạn này, khoảng 30 – 40% năng lượng hố học được biến thành nhiệt và hơn 60% năng lượng được sử dụng để tổng hợp các hợp chất cao năng (ATP). Trong chu trình citrate, các hydro tách ra sẽ được oxy hố qua chuỗi hơ hấp để tạo nên năng lượng và H2O. Năng lượng giải phĩng được tích trữ ở các phân tử ATP. Tồn bộ quá trình được minh hoạ bằng sơ đồ trên hình 4.2.
Hình 4.2 Tiến trình oxy hố sinh học của vi khuẩn
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 nên hiệu quả phân huỷ thay đổi phụ thuộc vào số lượng vi khuẩn và enzyme đặc hiệu tương ứng với cơ chất.
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
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. Ví 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 ít tan, cĩ cấu trúc phức tạp và khơng thể đi vào tế bào vi khuẩn trực tiếp được. Ví 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 khí hoặc kỵ khí, cĩ khả năng phân huỷ các chất ít 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 tích luỹ các tế bào (chết) này.
Trong xử lý sinh học, sự thuỷ phân chất nền phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Tính đa dạng về lồi của các vi khuẩn và enzyme tương ứng.
- Số lượng enzyme tiết ra cĩ đủ hay khơng.
- 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. Ví 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, Actinomyces… Trong nhĩm vi khuẩn cĩ một số lồi thuộc chi Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas, Azotobacter… 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. Ví
dụ như các lồi Aspergillus candidus, A. niger, A. oryzae, Bacillus subtilis, B. mesenterices, Clostridium pasteurianum, C. butiricum… chỉ cĩ khả năng tiết ra mơi trường một loại enzyme α – amilaza. Các lồi Aspegillus oryzae, Clostridium acetobutilicum… chỉ tiết ra mơi trường β – 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 khí. Nhiều lồi của giống này ưa lạnh, nhiệt độ tối thiểu là -2 đến 5oC, tối thích là 20 – 25oC. Tất cả Pseudomonas đều cĩ
hoạt tính amilaza và proteaza, đồng thời lên men được nhiều loại đường và tạo
màng nhầy, pH 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 – 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
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
khí hoặc kỵ khí 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 thích hợp là 35 – 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 …
- Xạ khuẩn và nấm: Streptomyces griseus, S. rimosus, S. fradiae, Aspergillus oryzae, A. flavus, Penicillium camemberti, Ceplialothecium…
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.
Các vi sinh vật tham gia thuỷ phân lipid chủ yếu là các lồi sau: Pseudomonas, Vibrio, Sarcina, Serratina, Bacillus, Achromobacter, Micrococus…
Vibrio là vi khuẩn hiếu khí 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 cầuphân 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