giáo trình sinh học môi trường Bài 1 Trao đổi chất

giáo trình sinh học môi trường Bài 1 Trao đổi chất

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

1

BÀI NỘI DUNG

1 TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ

NƯỚC THẢI

2 XỬ LÝ NITO VÀ PHOTPHO BẰNG CÔNG NGHỆ

SINH HỌC

3 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI ỨNG DỤNG

4 XỬ LÝ ĐẤT Ô NHIỄM

5 XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ

6 XỬ LÝ KHÍ THẢI

7 XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT

2

BÀI 1: TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI SINH VẬT

TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

1. GIỚI THIỆU

2. SINH KHỐI VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

3. CÁC NGUYÊN TẮC PHÂN HỦY CỦA VI KHUẨN

4. CÁC KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA NẤM

5. CÔNG NGHỆ XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG VI SINH VẬT

6. ĐÁNH GIÁ CHỌN LỰA HỆ THỐNG XỬ LÝ HIẾU KHÍ

HAY KỴ KHÍ

3

SỰ PHÂN HỦY CÁC HỢP CHẤT CÓ NGUỒN GỐC CARBON

 Sự phân hủy các chất ô nhiễm hữu

cơ :

 là phân hủy/khoáng hoá hoàn toàn

hoặc một phần các hợp chất hữu cơ

và hữu cơ sinh học trong tự nhiên

hoặc trong môi trường nhân tạo

chính

là các quá trình biến dưỡng của nhiều

loại khác nhau như: vi khuẩn, nấm,

tảo, nguyên sinh động vật và động

thực vật

 Tùy theo công nghệ xử lý mà người

ta có thể sử dụng nhóm này hay

 Phân hủy bao gồm hai quá trình cơ sở: sinh trưởng và đồng trao đổi chất

Trong quá trình sinh trưởng: chất hữu cơ  làm nguồn carbon và nguồn năng lượng duy nhất  kết quả: phân huỷ hoàn toàn (khoáng hoá) chất hữu cơ

Quá trình đồng trao đổi chất: là quá trình trao đổi chất của một chất hữu cơ trong khi có mặt của một cơ chất sinh trưởng là nguồn carbon và năng lượng chính

6

 Quá trình phân huỷ sinh học xảy ra trong điều kiện:

 Có sự hiện diện của oxy phân tử thông qua hô hấp hiếu khí,

 Trong điều kiện không đủ oxy thông qua việc khử nitrate (lên men), hoặc trong điều kiện kỵ khí thông qua quá trình tạo methane và sulfide

 Quá trình hô hấp các chất hữu cơ như carbohydrate, protein,

chất béo hoặc lipid … CO2, nước và sinh khối…

 Một ít NH3 và H2S có thể hình thành trong qúa trình phân huỷ các amino acid chứa lưu huỳnh hoặc các hợp chất dị vòng

 Vi sinh vật hiếu khí hô hấp sử dụng nitrate hoặc nitrite như là chất nhận điện tử cuối cùng trong điều kiên thiếu oxy

7

 Trong điều kiện kỵ khí: vi khuẩn sinh methane và vi khuẩn khử sulfate phân huỷ từng bước các hợp chất carbon  CH4, CO2,

SỰ TĂNG TRƯỞNG CỦA TẾ BÀO VI SINH VẬT

 Là quá trình sinh sản và tăng sinh khối quần thể vi sinh vật

 Hiệu quả của sự dinh dưỡng (đồng thời là sự giảm BOD, COD, TOC ) là quá trình tổng hợp các bộ phận của cơ thể tế bào và sự tăng sinh khối

 Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài, đặc tính sinh lý và trạng thái tế bào

 Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằng cách phân bào, thời gian sinh trưởng/ thời gian thế hệ thường từ 20 phút đến vài ngày

 Khi các chất dinh dưỡng, pH và nhiệt độ… của môi trường thay đổi ngoài các trị số tối ưu thì quá trình sinh sản bị dừng lại

9

 Nuôi cấy tĩnh/ nuôi cấy theo mẻ

 Là phương pháp trong suốt thời gian nuôi cấy không thêm chất dinh dưỡng cũng như không loại bỏ các sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất

 Sự sinh trưởng/ sự tăng sinh khối của vi sinh vật biểu thị bằng lượng bùn hoạt tính theo thời gian

 Nuôi cấy liên tục/ dòng liên tục.

 Là phương pháp trong suốt thời gian nuôi cấy, liên tục cho thêm các chất dinh dưỡng và loại bỏ các sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất ra khỏi môi trường nuôi cấy

 Vsv luôn luôn ở trong điều kiện ổn định về chất dinh và sản phẩm trao đổi chất, tốc độ sinh sản phụ thuộc chất dinh dưỡng

10

 Vùng 1: Giai đoạn làm quen/ pha tiềm phát/ pha lag.

 Pha lag bắt đầu từ lúc nuôi cấy đến khi vi sinh vật bắt đầu sinh trưởng, nồng độ bùn X= X 0, tốc độ sinh trưởng: r g = dX/dt = 0

 Gần cuối giai đoạn tế bào mới bắt đầu sinh trưởng kích thước, thể tích và khối lượng do tạo ra Protein, Axit Nucleic, men Proteinase, Amilase nhưng chưa tăng về số lượng.

11

 Vùng 2: Giai đoạn sinh sản/ pha logarit (Pha log)/ pha số mũ

 Chất dinh dưỡng cung cấp đầy đủ cho vsv sinh trưởng và phát triển theo luỹ thừa

 Sinh trưởng và sinh sản đạt mức độ cao nhất

 Sinh khối và khối lượng tế bào : X = X0 x 2n (n: số lần phân bào) Tốc độ sinh trưởng: rg = dX/dt = µ.X

 Vùng 3: Giai đoạn sinh trưởng chậm dần/ pha sinh trưởng chậm

 X tiếp tục tăng nhưng tốc độ sinh trưởng giảm dần và đạt mức

 Vùng 4: Giai đoạn sinh trưởng ổn định/ pha ổn định

 Chất dinh dưỡng ở nồng độ thấp, nhiều sản phẩm của quá trình trao đổi chất được tích luỹ

 X đạt tối đa, số lượng tế bào đạt cân bằng

 Sự sinh trưởng dừng lại, cường độ trao đổi chất giảm đi rõ rệt (c- d)

 Vùng 5: Giai đoạn suy tàn/ pha suy vong/ pha oxi hoá nội bào.

 Số lượng tế bào có khả năng sống giảm theo luỹ thừa, các tế bào

bị chết và tỷ lệ chết tăng lên

 Các tính chất lý, hoá môi trường thay đổi không có lợi cho tế bào, các tế bào “bị già và bị chết” một cách tự nhiên

13

 Quá trình nuôi cấy tĩnh được ứng dụng trong công nghệ xử lý

nước thải ở điều kiện tĩnh và hoạt hoá bùn

 Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật (bùn) theo thời gian đều đúng cho cả 2 môi trường hiếu khí và kỵ khí

 Giá trị các thông số của quá trình phụ thuộc vào các loài vi sinh vật, hàm lượng cơ chất, nhiệt độ và độ pH môi trường

 Quá trình nuôi cấy liên tục với mật độ vi sinh vật ở trạng thái

cân bằng động học không tăng không giảm theo thời gian

 Quá trình nuôi cấy liên tục vi sinh vật được ứng dụng trong công nghệ xử lý nước thải ở điều kiện động

14

2 SINH KHỐI VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

 Sinh khối và cân bằng năng lượng trong hô hấp hiếu khí glucose và cố định bùn hoạt tính

 Phân bố năng lượng và sinh khối trong quá trình hô hấp glucose ở pH 7

 Phân bố năng lượng và sinh khối trong quá trình lên men kỵ khí glucose ở pH 7.

V S V

15

 Các hợp chất hữu cơ  thuỷ phân nhờ các enzyme ngoại bào quá trình hô hấp của vi khuẩn.

 Các enzyme được sản xuất và tiết ra ngoài khi tiếp xúc với chất cảm ứng tương ứng

 Các enzyme ngoại bào hấp phụ các chất cao phân tử sinh học và thuỷ phân thành các đơn phân, các hợp chất có phân tử lượng thấp (đường, amino acid, oligopeptide, glycerol, acid béo)

 Các vi sinh vật hấp thu và chuyển hoá tạo thành năng lượng và dùng cho quá trình phân chia tế bào

16

 Sau khi được hấp thu, quá trình phân huỷ sẽ xảy ra bên trong tế bào thông qua các quá trình:

 Thuỷ phân glucose (đường, đường đôi, glycerol)

 Thuỷ phân kết hợp với khử amin (amino acid, oligopeptide)

 Thuỷ phân kết hợp với oxi hoá dạng  (phospholipid, acid béo mạch dài)

 Quá trình trao đổi chất trong tế bào  chu trình tricarboxylic acid (TCA)

 Năng lượng tối đa 34 mol ATP với chất nhận điện tử cuối cùng là khí oxy

17

 Quá trình hô hấp của các vật chất hữu cơ:

C6H12O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O + Q

 Quá trình phân huỷ hiếu khí:

- Nguồn cung cấp cơ chất bão hòa = điều kiện tải lượng cao

1 đvC cơ chất  0,5 đvC CO2 + 0,5 đvC tế bào

- Nguồn cung cấp cơ chất giới hạn = điều kiện tải lượng thấp

1 đvC cơ chất  0,7 đvC CO2 + 0,3 đvC tế bào

 Quá trình phân huỷ kỵ khí:

1 đvC cơ chất  0,95 đvC (CO2 + CH4) + 0,05 đvC tế bào

SINH KHỐI VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG TRONG HÔ HẤP HIẾU KHÍ GLUCOSE VÀ CỐ ĐỊNH BÙN HOẠT TÍNH

18

 Hệ thống bùn hoạt tính với tải lượng BOD cao (>0,6 kg/m3.ngày BOD)

1 mol glucose (M= 180) bị phân huỷ :

 khoảng 0,5 mol (90 g) + 3 mol O2 qúa trình hô hấp CO2, H2O và tạo thành 19 mol ATP

 0,5 mol glucose còn lại  pyruvate và tạo thành 0,5 – 1 mol ATP

 Pyruvate hoặc các sản phẩm trao đổi chất (acetate hoặc các dicarboxylic acid)  nguồn carbon cho quá trình phân chia tế bào và tạo thành sinh khối thặng dư tối đa 20 mol ATP được tạo thành sẵn sàng sử dụng cho quá trình tăng trưởng và hoạt động tế bào

19

 Ở điều kiện pH = 7:

1 mol ATP  44 kJ: năng lượng dùng tăng trưởng tế bào

Từ quá trình: thuỷ phân ATP  ADP + phosphate vô cơ

 Nếu, tính theo tỉ lệ:

1 mol ATP  4,75 g sinh khối

180 g glucose  90 g sinh khối vi khuẩn

Nếu 1 g sinh khối khô tế bào tiêu thụ 22 kJ  khoảng 890 kJ (2870 –

1980 kJ) năng lượng mất đi trong suốt quá trình hô hấp

 Lượng năng lượng mất đi là tổng của lượng nhiệt mất đi trong hô hấp và tăng trưởng tế bào

20

 Ở tải lượng BOD thấp:

 0,7 mol (126 g) glucose oxy hoá  CO2 tiêu thụ 4,2 mol O2

(134,4 g)

 Do đó, lượng oxy tiêu thụ, lượng CO2 và lượng bùn thặng dư sinh ra sẽ khác

21

PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG VÀ SINH KHỐI TRONG

QUÁ TRÌNH HÔ HẤP GLUCOSE Ở PH 7

22

PHÂN BỐ NĂNG LƯỢNG VÀ SINH KHỐI TRONG

QUÁ TRÌNH LÊN MEN KỴ KHÍ GLUCOSE Ở PH 7.

Leân men + Hoâ haáp kî khí

3 CÁC ĐẶC TRƯNG PHÂN HỦY CHẤT Ô

NHIỄM CỦA VI KHUẨN

 CÁC VI KHUẨN HIẾU KHÍ

 CÁC VI KHUẨN KỴ KHÍ

24

CÁC VI KHUẨN HIẾU KHÍ

 Quá trình trao đổi chất để tối ưu hóa tiếp xúc giữa tế bào vi sinh vật và chất ô nhiễm hữu cơ Hợp chất hữu cơ buộc phải tiếp cận được với vi sinh vật có hoạt tính phân huỷ

Ví dụ, Các hydrocarbon béo có mạch càng dài càng kém tan trong nước, 2 cơ chế tiếp nhận các hợp chất béo: vi sinh vật bám vào hạt dầu và tạo các chất hoạt động bề mặt sinh học (biosurfactant)

Biosurfactant:

 là những hợp chất có cấu trúc gồm 2 phần là ưa nước và kị nước

 có khả năng tạo nhũ và làm giảm sức căng bề mặt của chất béo và tạo nên các cấu trúc hình cầu li ti (micelle) 25

 Bước tấn công đầu tiên vào chất ô nhiễm hữu cơ xảy ra bên trong tế bào là quá trình oxy hoá bởi các enzyme chìa khoá là oxygenase và peroxidase.

 Con đường phân huỷ diễn ra từng bước một chuyển chất ô nhiễm hữu cơ thành những hợp chất trung gian tiến tới vòng trao đổi chất trung tâm (vòng tricarboxylic axit)

 Sinh khối tế bào được tổng hợp từ chính những nền tảng là chất chuyển hoá trung gian, giả sử như CoA, suscinate, pyruvate Chất đường cần thiết cho nhiều quá trình sinh tổng hợp và sinh trưởng được tổng hợp qua quá trình đường phân (gluconeogenesis)

26

 Các hợp chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học (alkan mạch vòng), một vài vi sinh vât sử dụng làm nguồn carbon chính (cyclohexan) và phân hủy theo cơ chế đồng chuyển hóa (cometabolism).

 Là cơ sở chuyển hoá sinh học (bioconversion) để chuyển một chất thành chất có cấu trúc hóa học khác 27

Phân hủy trichloroethylen (TCE) theo cơ chế đồng chuyển hóa trong vi khuẩn hóa dưỡng metan

28

CÁC VI KHUẨN KỴ KHÍ

Phân hủy kị khí tiêu tốn ít năng lượng mà còn tạo ra khí sinh học (biogas) là hỗn hợp của metan (CH4) và carbonic (CO2) Khí sinh học được sử dụng hiệu quả để tái tạo năng lượng

Sinh khối sinh ra ít hơn hẳn trong hiếu khí vì tốc độ sinh trưởng nói chung là chậm, hầu hết các trường hợp đều chậm hơn quá trình hiếu khí

Xử lý nước thải có hàm lượng phenol cao, tránh tạo thành các sản phẩm thứ cấp như là trùng ngưng của polyphenols

29

 Các hydrocarbon béo bão hòa bị tấn công sinh học một cách chậm chạp trong môi trường không có oxy Carbon áp cuối chuyển hóa thành phân tử fumarat và dạng trung gian ankyl succinate.

 Các hydrocarbon không bão hoà  hydrate hóa tạo  rượu  phân hủy hoàn toàn

 Hợp chất có chứa halogen: vi khuẩn kị khí phân hủy theo kiểu phản ứng khử thế halogen

 Phản ứng khử loại bỏ halogen: điện tử xuất phát từ phân tử hydrogen, formate… được chuyển đến cơ chất chứa clo để tạo thành chất hữu cơ ở dạng khử và ion Clo (Cl-)

30

 Một số trường hợp, phản ứng oxi hóa khử có thể hình thành

năng lượng chuyển hoá thông qua chuỗi hô hấp

 Sự phân huỷ kị khí xử lý một số chất thải hữu cơ, sản phẩm thường là CH4 và CO2  năng lượng hoặc cơ chất cho các quá trình sinh tổng hợp

 Quá trình phân huỷ kị khí xảy ra trong môi trường thiếu khí  cần phải nghiên cứu về nguy cơ của các hợp chất tổng hợp đối với sức khoẻ con người và môi trường

31

PHÂN HỦY CÁC CHẤT Ô NHIỄM BỀN

BẰNG SỰ PHỐI HỢP GIỮA VI KHUẨN

HIẾU KHÍ VÀ KỴ KHÍ

 Về mặt nguyên tắc, tính bền vững của các hợp chất ô nhiễm hữu cơ tăng lên cùng với mức độ halogen hóa

 Thay thế halogen, nitơ hay lưu huỳnh trong vòng thơm đi kèm với tăng ái lực điện tử, những hợp chất này kháng lại ái lực của enzyme oxygenase

 Những chất tồn tại bền vững trong điều kiện hiếu khí: PCBs (Polychlorinated biphenyls), dioxins, DDT và Lindan

 Vi khuẩn kị khí đóng vai trò quan trọng trong việc khử các hợp chất xenobiotic chứa clo:

1. Khử halogen giảm bậc halogen

2. Vô cơ hóa bởi các vi khuẩn hiếu khí 32

4 CÁC KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA NẤM

 Nấm men có khả năng phân huỷ sinh học các hợp chất béo như dầu thô và các sản phẩm dầu mỏ, C10-C20 là thích hợp với hầu hết vi nấm

 Hydrocarbon mạch ngắn (n.C5-C9) có độ độc cao, độc tính có thể mất đi khi thêm vào hydrocarbon mạch dài:

Candida có thể sinh trưởng trên n-octan nếu có mặt 10%

pristane

Penicillium frequentans có thể sử dụng hợp chất n-alkan chứa

1 halogen và loại bỏ halogen hoàn toàn

33

 Hydrocarbon béo không tan trong nước, nấm tiết ra các chất hoạt động bề mặt để làm nhũ hoá hydrocarbon

 Vi nấm không thể sử dụng alkan mạch nhánh hay mạch vòng

no như là nguồn carbon và năng lượng

 Các ankan bị oxy hóa ở vị trí carbon cuối cùng tạo rượu bậc 1 (n-ankan-1-OH) Oxy hóa ở vị trí áp cuối tạo rượu bậc 2 Tiếp tục bị chuyển hóa  aldehyde, ester, acid acetic, rượu  acid béo  chu trình Krebs

 Sản phẩm cuối là oxit carbon (CO2) trong chu trình chuyển hoá tricarbocylic axit (Krebs)

34

 Nấm mốc và nấm men có khả năng sử dụng các hợp chất hydrocarbon thơm làm cơ chất để sinh trưởng Khả năng chuyển hoá theo kiểu đồng chuyển hoá

 Penicillium frequentants:

 Phenol chuyển hoá hoàn toàn thành sinh khối, carbonic và nước

 Phenol chứa clo thành dạng catechol (như sản phẩm cuối cùng)

 Nấm đảm có một hệ thống enzyme phân huỷ cellulose và lignin (dạng hợp chất carbon vòng thơm phổ biến nhất) hiệu quả, gọi tên là nấm trắng hoại gỗ (white rot fungi)

 Tiêu biểu là Trametes versicolor, Pleurotus ostreatus,

Nematoloma flrowardii và những loài phân huỷ rác thải Agaricus bisporus, Agrocybepraecox và Stropharia coronilla

35

 Lignin phân hủy không là nguồn carbon và năng lượng để nấm sinh trưởng

 Nguyên lý phân hủy là đồng chuyển hóa: cơ chất sinh trưởng là hầu hết các chất đường sinh ra từ phản ứng thủy phân hemicellulose

 Enzyme dạng oxydoreductase (phân rã lignin): peroxidase và laccase  xúc tác và tấn công lignin theo cơ chế không đặc trưng

36