Bài giảng Quá trình hóa sinh trong công nghệ môi trường

Trang 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH HĨA SINH CỦA VSV Mơn học: Q TRÌNH HỐ SINH TRONG CƠNG NGHỆ MƠI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Hóa và Môi trường - Bộ môn KTMT Trang 2 NỘI DUN

Trang 1

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÓA SINH CỦA VSV

Môn học:

Q UÁ TRÌNH HOÁ SINH TRONG CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Hóa và Môi trường - Bộ môn KTMT

Th.S Nguyễn Thanh Hòa (0904727546), PGS TS Nguyễn Thị Thế Nguyên (0983033532)

Trang 2

NỘI DUNG

1.1 Vai trò của VSV trong công nghệ môi trường

1.2 Phân loại VSV trong công nghệ môi trường

1.3 Quá trình trao đổi chất của VSV

1.4 Quá trình sinh sản của VSV

1.5 Động học quá trình phát triển của VSV

1.6 Hô hấp của VSV

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÓA SINH CỦA VSV 2

Trang 3

NỘI DUNG

Trang 4

Vi sinh vật là gì? Các vi sinh vật có đặc điểm

chung là gì?

Trang 5

Đặc điểm chung của vi sinh vật

 Kích thước rất nhỏ bé, thường được đo bằng micromet

 Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh Vi khuẩn lactic trong 1 giờ có thể phân giải một lượng

đường lactose nặng hơn 1.000 – 10.000 lần khối lượng của chúng

 Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh

 Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị

 Phân bố rộng, chủng loại nhiều Số lượng và chủng loại thay đổi theo thời gian Do tính

chất dễ phát sinh đột biến nên số lượng loài vi sinh vật tìm được ngày càng tăng, chẳng hạn về nấm trung bình mỗi năm lại được bổ sung thêm khoảng 1.500 loài mới

1.1 Vai trò của VSV trong CNMT

Trang 6

1.1 Vai trò của VSV trong CNMT

VSV có vai trò quan trọng trong xử lý môi trường

Trang 7

Các v i sinh vật có thể liên tục chuyển hóa các

chất hữu cơ trong môi trường để làm gì?

Trang 8

Các vi sinh vật có thể liên tục chuyển hóa các chất hữu cơ trong môi

trường để:

+ T ổng hợp thành tế bào (nguyên sinh chất) mới

+ sinh năng lượng cần thiết cho việc tổng hợp

=> Giảm các chất hữu cơ trong môi trường

Trang 9

VSV được ứng dụng trong xử lý nước thông qua:

Các quá trình tự nhiên :

???

Các quá trình nhân tạo :

???

Trang 10

VSV được ứng dụng trong xử lý nước thông qua:

- Quá trình thiếu khí (bể anoxic, …)

- Quá trình yếm khí (bể anarobic, UABR, …)

Trang 11

Thế nào là quá trình tự làm sạch của nước?

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÓA SINH CỦA VSV 11 1.1 Vai trò của VSV trong CNMT (tiếp) – MT nước

Trang 12

Quá trình tự làm sạch: quá trình khoáng hóa các chất bẩn hữu cơ – hay rộng hơn, là quá trình chuyển hóa, phân hủy các chất bẩn hữu

cơ nhờ các thủy sinh vật, vi sinh vật

Trang 13

Quá trình tự làm sạch (tiếp):

Trong các dòng sông, các dòng chất bẩn sẽ pha loãng với nước sông trên một khoảng nhất định Có thể phân biệt các vùng sau đây:

• Vùng xả chất bẩn;

• Vùng xáo trộn hoàn toàn;

• Vùng bẩn nhất, ở đó hàm lượng oxy hòa tan ít nhất;

• Vùng phục hồi, ở đó kết thúc quá trình tự làm sạch

Trang 14

 Cải tạo đất bị ô nhiễm do kim loại nặng và

các thuốc hoá học bảo vệ thực vật

 Phân huỷ hợp chất hoá học có nguồn gốc

hữu cơ

 Phân giải hoặc chuyển hoá các chất gây ô

nhiễm trong đất

 Phân huỷ các chất phế thải hữu cơ v.v

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÓA SINH CỦA VSV 14 1.1 Vai trò của VSV trong CNMT (tiếp) – MT đất

Trang 15

Cho một ví dụ về vai trò của vi sinh vật trong xử lý ô nhiễm đất?

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÓA SINH CỦA VSV 15 1.1 Vai trò của VSV trong CNMT (tiếp) – MT đất

Trang 16

• T hiết bị sinh học làm sạch không khí: Phổ biến nhất

là các máy lọc sinh học (biofilter)

- Đây là thiết bị đơn giản trong vận hành, hiệu quả

làm sạch cao, có chi phí sản xuất thấp (vật liệu của

lớp lọc rẻ và phổ biến, tiêu tốn nước, điện thấp)

• Năng suất hoạt động của bioreactor cao hơn nhiều

so với các thiết bị sinh học làm sạch khí khác, vì nó

có nồng độ sinh khí cao trong thể tích làm việc của

reactor nhờ sự cố định vi sinh vật trên các chất mang

polymer và vô cơ

Trang 17

Cho một ví dụ về vai trò của vi sinh vật trong xử lý chất thải rắn?

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÓA SINH CỦA VSV 17 1.1 Vai trò của VSV trong CNMT (tiếp) – Chất thải rắn

Trang 18

1.1 Vai trò của VSV trong CNMT (tiếp) – Chất thải rắn

Trang 19

NỘI DUNG

1.3 Quá trình trao đổi chất của vi khuẩn

1.4 Quá trình sinh sản của vi khuẩn

Trang 20

1.2 Phân loại VSV trong CNMT

Hãy cho biết vi sinh vật gồm những nhóm nào?

Trang 21

VSV nhân sơ

Vi khuẩn khuẩn Xạ Vi khuẩn lam

VSV nhân chuẩn

Nấm men,

Trang 22

VSV nhân sơ

Nấm men,

Trang 23

VSV nhân sơ

Nấm men, nấm mốc Tảo Protozoa

Trang 25

Tảo lam Vi rút sốt rét

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÓA SINH CỦA VSV 25 1.2 Phân loại VSV trong CNMT (tiếp)

Trang 26

Theo kiểu dinh dưỡng, vi sinh vật được chia thành mấy nhóm?

Trang 27

Theo kiểu dinh dưỡng, vi sinh vật được chia thành 2 nhóm:

+ Các vi sinh vật dị dưỡng : ???

+ Các vi sinh vật tự dưỡng : ???

Trang 30

NỘI DUNG

Trang 31

1.3 Quá trình trao đổi chất của VSV

Quá trình trao đổi chất trong cơ thể sống gồm những quá trình nào?

Trả lời: Quá trình đồng hóa và dị hóa

Trang 32

Thế nào là quá trình đồng hóa và dị hóa ? Hai quá trình này có tồn tại độc lập với nhau không?

Trang 33

Quá trình trao đổi chất trong cơ thể sống:

Đồng hóa: quá trình tổng hợp các thành phần tương đối lớn của tế bào như polysaccharide, lipid, protein, acid nucleic …từ những hợp chất đơn giản

- Làm tăng kích thước phân tử và làm cho cấu trúc phức tạp hơn, cần tiêu dùng năng lượng

- Năng lượng này được cung cấp bằng cách phân giải các liên kết cao năng của ATP

Trang 34

Quá trình trao đổi chất trong cơ thể sống (tiếp):

Dị hóa là quá trình phân giải các phân tử bằng các phản ứng oxy hóa

- Các phân tử lớn (glucid, lipid, protein) bị phân giải thành những phân tử nhỏ hơn như acid lactic, acid acetic, urê, NH 3 , CO 2 v.v …, đồng thời giải phóng năng lượng tự do chứa trong cấu trúc phức tạp của các phân tử hữu cơ

- S ố năng lượng này được tích lũy lại trong các liên kết phosphate cao năng của ATP và các hợp chất tương tự

Trang 35

Hãy xem video sau đây và cho biết:

- Quá trình trao đổi chất là gì

- Đâu là quá trình đồng hóa và dị hóa ???

- Đặc điểm của quá trình đồng hóa và dị hóa

- Vai trò của enzym trong quá trình đồng hóa và dị hóa

Trang 36

Các nguồn năng lượng mà VSV sử dụng lấy từ đâu?

Trang 37

C ác vi sinh vật thường sử dụng

một trong ba nguồn năng lượng

Quang dưỡng Hóa hữu cơ dưỡng Hóa vô dưỡng cơ

1.3 Quá trình trao đổi chất của VSV (tiếp)

Trang 38

ATP là gì???

ATP là phân tử mang năng lượng , có

chức năng vận chuyển năng lượng

đến các nơi cần thiết để tế bào sử

dụng

Chỉ có thông qua ATP, tế bào mới sử

dụng được thế năng hóa học cất giấu

trong cấu trúc phân tử hữu cơ

Trang 39

ATP là gì???

Phân tử này có 3 phần:

- 1 cấu trúc vòng có các nguyên tử C, H

và N được gọi là adenine ;

- 1 phân tử đường 5 carbon là ribose ;

- 3 nhóm phosphat kế tiếp nhau nối vào

chất đường

Trang 40

ATP (Adenosine triphosphate ) - Trung tâm của trao đổi chất tế bào

• ATP được coi là dạng năng lượng dự trữ , có thể tham gia trao đổi trong các quá

trình hoá học khác nhau Phần lớn là các quá trình phản ứng hoạt hoá như trao đổi hydratcarbon, trao đổi axit béo, trao đổi các hợp chất chứa nitơ (axit amin, protein, axit nucleic )

• ATP vừa là chất tích luỹ năng lượng vừa là chất cung cấp năng lượng ATP có

thể chuyển năng lượng dạng tĩnh của các liên kết hoá học thành năng lượng dạng động, nghĩa là năng lượng kích thích các phân tử làm cho các phân tử có thể phản ứng với nhau

Trang 41

- ATP dễ biến đổi thuận nghịch để giải phóng hoặc tích trữ năng lượng (hình 2) Khi ATP thủy giải nó sẽ tạo ra hai ADP và Pi - phosphate vô cơ: enzyme

ATP + H 2 O  ADP + Pi + năng lượng

- Nếu ADP tiếp tục thủy giải sẽ thành AMP Ngược lại ATP sẽ được tổng hợp nên từ ADP và Pi nếu có đủ năng lượng cho phản ứng:

enzyme

ADP + Pi + năng lượng  ATP + H 2 O

Trang 42

Sự tổng hợp ATP

Trang 43

1 Là chất mang phosphat và năng lượng trong chuỗi hô hấp và đường phân

2 Hoạt hoá axit amin, axit béo, các nucleotid, … trong các quá trình tổng hợp

và phân giải các chất này

3 Có chức năng sinh học trong hiện tượng co cơ, tham gia trực tiếp vào vận

chuyển ion, các quá trình hấp phụ và phản hấp phụ khác nhau

C hức năng của ATP

Trang 44

electrone

Trang 45

Trang 46

Trang 47

Sự lên men

 Sự lên men là quá trình phân giải hidrat cacbon trong điều kiện kị khí, là quá trình oxi hóa khử cơ chất làm cho một phần cơ chất bị khử, phần khác thì lại bị oxi hóa

 NADH không bị oxy hoá bởi chuỗi vận chuyển electron do thiếu chất nhận electron

từ bên ngoài Nếu NAD+ không được tái tạo việc oxy hoá phosphate sẽ không diễn ra và đường phân sẽ ngừng hoạt động => chức năng chủ yếu của lên men là tái sản NAD+ cho đường phân

glyceraldehyde-3- Để khắc phục tình trạng trên nhiều vi sinh vật đã giảm hoặc làm ngừng hoạt tính của enzyme pyruvate dehydrogenase và sử dụng pyruvate hay một trong các chất dẫn xuất của pyruvate như chất nhận electron và hydro nhằm tái oxy hoá NADH trong một quá trình lên men

Trang 48

Sự lên men (tiếp)

 NADH được oxy hoá thành NAD+

bằng việc tách hidro ra khỏi cơ chất

dưới dạng khí hoặc liên kết với cơ

Trang 49

NỘI DUNG

Trang 50

1.4 Quá trình sinh sản của vi khuẩn

 Vi khuẩn sinh sản vô tính theo kiểu trực

phân, mỗi tế bào phân chia thành hai tế bào

mới

 Trong những điều kiện thích hợp sự phân

chia này diễn ra rất nhanh (20-30’ với vi khuẩn

E.coli), có những vi khuẩn sinh sản chậm hơn

(36h với vi khuẩn lao)

Trang 51

Hãy xem video sau đây và cho biết:

- Quá trình phát triển, sinh sản của vi sinh vật

- Quá trình hình thành bào tử của vi sinh vật

- Bào tử có được coi là VK đang hoạt động không?

- Bào tử bền vững trong điều kiện nào? Bào tử có được coi là sự sinh sản của VK không?

Trang 52

- Những biến đổi di truyền (hay đột biến) vẫn xảy ra trong từng tế bào vi khuẩn thông qua các hoạt động tái tổ hợp di truyền Có ba kiểu tái tổ hợp di truyền ở vi khuẩn: + Biến nạp (transformation): chuyển ADN trần từ một tế bào vi khuẩn sang tế bào

khác thông qua môi trường lỏng bên ngoài, hiện tượng này gồm cả vi khuẩn chết

+ Tải nạp (transduction): chuyển DNA của virus, vi khuẩn hay cả virus lẫn vi khuẩn, từ một tế bào sang tế bào khác thông qua thể thực khuẩn

+ Giao nạp (conjugation): chuyển DNA từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác thông qua cấu trúc protein gọi là pilus (lông giới tính)

1.4 Quá trình sinh sản của VSV (tiếp)

- Vi khuẩn, sau khi nhận được DNA từ một trong những cách trên, sẽ tiến hành phân chia và truyền bộ gene tái tổ hợp cho thế hệ sau

Trang 53

NỘI DUNG

Trang 54

Hãy cho biết các giai đoạn sinh trưởng và phát triển của VSV?

Trang 55

1.5 Động học quá trình phát triển của VSV

Trang 56

GĐ1 Giai đoạn tiềm phát (lag phase) - AB

VSV thích nghi với môi trường, 1 số VSV

không thích nghi được sẽ chết

Tốc độ sinh trưởng chậm, số lượng TB nhỏ

Cuối gđ số lượng tế bào tăng, nhưng tốc độ

Quy luật phát triển của VSV trong nuôi cấy tĩnh

1.5 Động học quá trình phát triển của VSV

Trang 57

Trang 58

GĐ 2: Giai đoạn sinh trưởng (log

Trang 59

+ Gđ 3: giai đoạn cân bằng (stationary phase)- CD: Tốc độ sinh trưởng

riêng giảm nhanh do nguồn dinh dưỡng đã bắt đầu cạn kiệt, các sản phẩm trao đổi chất ức chế sự phát triển của VSV

Số lượng TB ở trạng thái cân bằng động: số TB mới sinh ra gần bằng số

TB già chết đi

+ Gđ 4: giai đoạn suy vong (death phase)-DE: Số lượng tế bào giảm rất

nhanh, số lượng tế bào già chiếm đa số Nếu không bổ sung dinh dưỡng vào thì số lượng TB giảm rất nhanh

Tiêu đề	Quá Trình Hóa Sinh Của VSV
Tác giả	Th.S Nguyễn Thanh Hòa, Pgs. Ts. Nguyễn Thị Thế Nguyên
Trường học	Trường Đại Học Thủy Lợi
Chuyên ngành	Quá Trình Hóa Sinh Trong Công Nghệ Môi Trường

Định dạng
Số trang	376
Dung lượng	8,51 MB