đề tài : " VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG " pdf

Kết quả của việc sử dụng nhiều phân đạm là tăng năng suất cây trồng nhưng hệ quả của nó để lại là gây ô nhiễm nước, đất, gây ô nhiễm thức ăn cho bản thân con người qua hiện tượng tích lũ



TIỂU LUẬN

VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

I CHU TRÌNH NITO 3

1 GIỚI THIỆU 3

2 VI SINH VẬT TRONG CHU TRÌNH NITO 4

2.1 SỰ CỐ ĐỊNH N ( NITROGEN FIXATION) 4

2.1.1 VI SINH VẬT CỐ ĐỊNH NITO 5

2.1.2 CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH CỐ ĐỊNH NITƠ PHÂN TỬ: 7

2.2 SỰ ĐỒNG HÓA NITO ( ASSIMILATION) 7

2.3 SỰ KHOÁNG HÓA NITO ( AMMONIFICATION) 7

2.4 QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA 8

2.4.1 KHỬ NITRAT HÓA ( DENITRIFICATION) 10

2.4.2VI SINH VẬT CÓ TRONG QUÁ TRÌNH KHỬ NITRAT HÓA 10

2.4.3 ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC 12

2.4.4 TÁC ĐỘNG CỦA CON NGƯỜI VÀO CHU TRÌNH NITO - Ngày nay con người can thiệp rất mạnh vào chu trình Nitơ bằng cách sản xuất các loại phân đạm như ure CO(NH 2 ), amoni (NH 4 ) 2 SO 2 , NH 4 Cl, NH 4 NO 3 Kết quả của việc sử dụng nhiều phân đạm là tăng năng suất cây trồng nhưng hệ quả của nó để lại là gây ô nhiễm nước, đất, gây ô nhiễm thức ăn cho bản thân con người qua hiện tượng tích lũy các loại đạm vô cơ trong thực vật, động vật 14

I CHU TRÌNH NITO

1 GIỚI THIỆU

- Khí nitơ chiếm 78% trong khí quyển Tuy vậy nitơ thường tỏ ra thiếu thốn đối vớicác sinh vật Phân tử nitơ N2 gồm một cặp nguyên tử liên kết cộng hoá trị rất bền vững.Năng lượng của liên kết 3 này khoảng 225 kcal/M,

suất 1000atm và các chất xúc tác khác

- Chỉ có một ít sinh vật tiết ra enzym cần thiết để phân rã các phân tử ấy mới có khả năng dùng nitơ ở dạng khí như thế, mọi sinh vật khác buộc phải nhận N2 ở dạng đã được cố định trong các dạng hợp chất

- Động vật và các cơ thể sống bậc cao khác thường cần nitơ ở dạng hợp chất hữu cơ ví dụ như axit amin

2 VI SINH VẬT TRONG CHU TRÌNH NITO

- Trong chu trình nito vi sinh vật đóng vai trò quan trọng và được chia làm 5 giai đoạn: cố định N, đồng hóa N, khoáng hóa N, nitrat hóa và khử nitrat hóa

2.1 SỰ CỐ ĐỊNH N ( NITROGEN FIXATION)

- Khả năng cố định đạm sẽ không thể nếu như không có mặt của các vi sinh vật cố định đạm

- Cây họ đậu, tảo lam cũng có khả năng cố định đạm Đồng hành với công việc này, các nhà khoa học chế tạo phân vi sinh vật cố định đạm cho cây họ đậu (phân Nitragin) và cả cây hòa thảo mà đặc biệt là cây lúa (phân Azogin)

2.1.1 VI SINH VẬT CỐ ĐỊNH NITO

Vi khuẩn nốt sần:

- Vi khuẩn nốt sần: thuộc loại hiếu khí không tạo bào tử có thể đồng hóa nhiều nguồn cacbon khác nhau, pH thích hợp: 6,5-9,5, nhiệt độ phát triển

- Phân loại vi khuẩn nốt sần có nhiều ý kiến chưa thống nhất:

+ Theo Todorovic chia vi khuẩn nốt sần ra 2 loài: Rhizibiomonas

leguminosarum và Rhizobacterum leguminosrum

+ Theo Bergli thì giống Rhizobiumbao gồm 6 loài vi khuẩn nốt sần:

Rh.leguminosarum, Rh.phaseoli, Rh.Trifolii, Rh.lupini, Rh.sapnicum,

Rh.meliloti

- Cơ chế tạo thành nốt sần:

+ Vi khuẩn nốt sần xâm nhập vào rễ cây họ đậu thông qua lông hút đôi khi thông qua vết thương Một số cây họ đậu tiết ra xung quanh rễ những chất có tác dụng kích thích những vi khuẩn tương ứng với mình phát triển mạnh hơn (để có thể nhiễm vào thực vật, vi khuẩn phải đạt mật độ tế bào 104/gam đất

+ Vi khuẩn sau khi tiếp xúc với lông hút của thực vật, tạo thành dãy xâm nhập đi dần vào bên trong của rễ và xâm nhập vào nhu mô kích thích tế bào thực vật bị phân chia nhanh chóng thành tế bào mới

+ Vi khuẩn đi vào tế bào chất và phân chia chuyển thành thể giả khuẩn Giả khuẩn không phân chia được nhưng phát triển mạnh tăng nhiều ribosom, nốt sần xuát hiện

+ Nốt sần thích hợp ở các điều kiện: Độ ẩm của đất: 60 - 70%; Độ thoáng khí: càng nhiều càng tốt, điều này cho thấy rễ càng sâu lượng nốt sần càng kém; pH thích hợp từ 4,6-8,0

+ Phân đạm thường ức chế tạo thành nốt sần; Phân lân, kali có tác dụng tích cực; Phân canxi, magiê và các muối khác cũng có tác dụng tốt đến quá trình tạo thành nốt sần

+ Chất dinh dưỡng cacbon như nước đường, rơm, rạ làm tăng khả năng xâm nhập và khả năng cố định nitơ, ngược lại những vi sinh vật cho kháng sinh sẽ gây ức chế vi khuẩn Rhizobium

Vi khuẩn hiếu khí sống tự do thuộc giống Azotobacter và

Beiferinckia:

- Azotobacter: chủ yếu có 4 loài

+ Azotobacter chroocuccum: kích thước 3,1x2,0µ khi còn non có khả năng di động, khi già có sắc tố màu nâu đến màu đỏ, không khuyếch tán vào môi trường

+ Azotobacter beijerincki: kích thước 3,1x2,0µ không di động, khi già có sắc tố màu vàng đến màu nâu sáng, không khuyếch tán vào môi trường + Azotobacter Vinelandi: kích thước 3,4x1,5µ có khả năng di động, sắc tố màu vàng lục đến huỳnh quang, khuyếch tán vào môi trường

+ Azotobacter agilis: kích thước 3,3x2,8µ có khả năng di động, sắc tố màu lục, huỳnh quang, khuyếch tán vào môi trường

Azotobacter làm tăng cường nguồn thức ăn cung cấp cho cây trồng, kích thích khả năng tăng trưởng, nâng cao tỷ lệ nảy mầm và độ phát triển của mầm (vì nó tiết ra môi trường thiamin, a.nicotinic, a.pantotenic, piridoxin, biotin, ) và có khả năng tiết ra một số chất chống nấm

Chế phẩm Azotobacterin là dịch Azotobacter cho hấp thụ trong than bùn (hoặc các loại đất giàu hữu cơ đã trung hòa và bổ sung photpho, kali)

- Beiferinckia: là loài hiếu khí, cố định nitơ giống Azotobacter nhưng có khả năng chịu chua cao hơn Gồm có 3 nhóm:

+ B.Indica: kích thước tế bào 0,5-1,5 x 1,7-3,0µ có khả năng di động hoặc không di động, khi già có sắc tố màu đỏ đến màu nâu, có tốc độ cố định nitơ nhanh

+ B.fluminensis: kích thước tế bào 1,1-1,5 x 3,0-3,5µ có khả năng di động, sắc tố màu nâu tối, tốc độ cố định nitơ chậm

+ B.derxii: kích thước tế bào 1,5-2,0 x 3,5-4,5µ không di động, sắc tố màu lục huỳnh quang

Vi khuẩn kỵ khí sống tự do thuộc Clostridium:

- Loài được nghiên cứu nhiều nhất là Clostridium pasteriaum

- Ngoài ra còn có các loài Clostridium khác như Cl.butylicum, Cl

Bacterinkin, Cl Aceticum,

- Kích thước tế bào 2,5-7,5 x 0,7-1,3µ có thể riêng rẽ hoặc xếp đôi hoặc thành chuỗi ngắn

- Có khả năng di động khi còn non, có khả năng tạo bào tử, bào tử có kích thước lớn hơn tế bào và có thể nằm ở đầu hoặc ở giữa tế bào

Tảo lam sống tự do và tảo lam cộng sinh trong bèo hoa dâu:

- Hiện nay đã phát hiện nhiều loài tảo lam sống tự do trong đất và trong nước có khả năng cố định nitơ

- Có một số sống cộng sinh với thực vật, trong đó đáng chú ý nhất là tảo cộng sinh trong bèo hoa dâu (tảo này có tên là Asiabaena azollae)

- Đa số các loài tảo phát triển tốt trong môi trường trung tính hoặc kiềm,

2.1.2 CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH CỐ ĐỊNH NITƠ PHÂN TỬ:

- Quá trình cố định nitơ phân tử theo 2 hướng cơ bản: Con đường khử và con đường oxy hoá

- Con đường khử theo chuỗi biến hoá:

N2 → HN=NH → H2N-NH2 → NH3 → NH4OH

Con đường oxy hoá:

N2 → N2O → (HNO)2 → NH4OH

Qua 2 hướng đó, người ta thu được kết quả sau:

- Nếu nồng độ Oxy nhiều sẽ ức chế quá trình cố định nitơ phân tử

- Hiệu suất cố định nitơ phân tử của những vi sinh vật kỵ khí thường cao hơn những vi sinh vật hiếu khí

- Tìm thấy hợp chất loại khử khi nuôi các vi sinh vật cố đinh nitơ phân tử Qua đó cho thấy con đường khử có nhiều khả năng xảy ra hơn

2.2 SỰ ĐỒNG HÓA NITO ( ASSIMILATION)

- Các vi khuẩn dị dưỡng và tự dưỡng sử dụng nitrat hóa và đồng hóa nó thành amon

- Trong các công trình xử lý nước thải sự đồng hóa chịu trách nhiệm loại

bỏ nito

- Các tế bào thực vậy và tế bào tảo thích xử dụng nito ở dạng amon

-Trong đất, các phân bón ở dạng amon được ưu thích hơn là phân bón nitrat Tế bào sẻ chuyển hóa nitrat hoạc amon thành protein thành yếu tố giới hạn

2.3 SỰ KHOÁNG HÓA NITO ( AMMONIFICATION)

- Sự khoáng hóa nito là sự chuyển hóa các hợp chất nito hữu cơ thành các dạng vô cơ

- Sau khi các sinh vật chết, vi sinh vật phân giải protein và nitơ hữu cơ chuyển thành nitơ khoáng

-Trong đất, chất hữu cơ trước hết được biến thành mùn và một phần sẽ thành các dạng amoni hay nitrit

- Thoạt đầu, amoni thành nitrit dưới tác động của các vi khuẩn hiếu khí

Nitrosomonas, sau đó, qua một quá trình oxi hoá nữa, các nitrit chuyển

thành nitrat do các vi khuẩn hiếu khí Nitrobacter

- Nitơ dưới dạng nitrat là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hoá nitơ hữu cơ trong đất, là dạng thích hợp nhất cho cây trồng Nitrat dễ hoà tan trong nước nên dễ bị rửa trôi, nhất là trong mùa mưa lớn

- Sự khoáng hoá nitơ, sự mất nitơ do rửa trôi và thực vật hấp thụ nitơ dưới

nghèo dự trữ nitơ trong đất và ruộng lúa nếu không có sự bù lại Trong trồng trọt thâm canh, phải cung cấp đủ nitơ cho cây trồng bằng các loại phân bón

để đạt năng suất cao

- Quá trình này được thực hiện bởi rất nhiều loại vi sinh vật: vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm…

2.4 QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA

- Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa sinh hóa nitơ của các muối amon, đầu tiên thành nitrit và sau đó thành nitrat dưới tác dụng của vi sinh

- Hầu hết các vi khuẩn nitrate hóa là các loại vi khuẩn tự dưỡng, thuộc họ Nitrobacteraceae, lấy năng lượng trực tiếp từ quá trình chuyển hóa hóa học

làm nguồn carbon chính và cần oxy để sinh trưởng

- Những vi khuẩn có ích này thường là vi khuẩn Gram dương (Gram +),

do đó bạn nên thận trọng khi sử dụng các thuốc tiêu diệt vi khuẩn Gram + như Erythromycin (Maracyn), Ampicillin, hay Penicillin

- Sự nitat hóa là sự chuyển hóa amon thành nitrat bởi hoạt động của vi sinh vật

- Vi sinh vật tham gia quá trình nitrat hóa gồm có 2 nhóm:

thành giai đoạn thứ nhất

 Vi khuẩn nitrat ( Nitrobacter ): oxy hóa nitrit thành nitrat, hoàn thành giai đoạn thứ hai

Vi khuẩn nitrosomonas

Nitrobacter

- Các phản ứng được biễu diễn qua các phương trình sau:

2HNO2 + O2 nitrobacter 2HNO3 (2)

hoặc:

- Ở phương trình (1) + (2) : cứ 214 = 28g N cần 816 = 128g ôxy 1g N cần 128/28 = 4,57g ôxy

nguyên tử ôxy : từ (N2O5) 1 g N giải phóng được (16 5)/ (14 2) = 2,85 g ôxy

- Tốc độ của giai đoạn thứ nhất xảy ra nhanh gấp 3 lần so với giai đoạn hai

- Bằng thực nghiệm người ta đã chứng minh rằng lượng oxy tiêu hao để

cao hơn Nitromonas, do đó giai đoạn tốc độ giới hạn trong quá trình nitrat hóa là sự chuyển hóa amon thành nitrit bởi Nitrosomonas

- Sự có mặt của nitrat trong nước thải phản ánh mức độ khoáng hóa hoàn thành các chất bẩn hữu cơ

- Trước tiên nó phản ánh mức độ khoáng hóa các chất hữu cơ Nhưng quan trọng hơn là quá trình nitrat hóa tích lũy được một lượng oxy dự trữ có thể dùng để oxy hóa các chất hữu cơ không chứa nitơ khi lượng oxy tự do (lượng oxy hòa tan) đã tiêu hao hoàn toàn cho quá trình đó

2.4.1 KHỬ NITRAT HÓA ( DENITRIFICATION)

- Quá trình khử nitrat là quá trình tách oxy khỏi nitrit, nitrat dưới tác dụng của các vi khuẩn yếm khí (vi khuẩn khử nitrat) Oxy được tách ra từ nitrit và nitrat được dùng lại để oxy hóa các chất hữu cơ Lượng oxy được giải phóng

dạng khí sẽ bay vào khí quyển

2.4.2VI SINH VẬT CÓ TRONG QUÁ TRÌNH KHỬ NITRAT HÓA

Pseudonomonas

Bacillus

Spirillum

Hyphomicrobium

Agrobacterium

Acinetobacter

2.4.3 ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC

- Trong nước mặt cũng như nước ngầm nitơ vô cơ tồn tại ở 3 dạng

động của nhiều yếu tố hóa lý và do hoạt động của một số sinh vật các dạng nitơ này chuyển hóa lẫn nhau, tích tụ lại trong nước ăn và có độc tính đối với con người

dài, trẻ em và phụ nữ có thai có thể mắc bệnh xanh da vì chất độc này cạnh tranh với hồng cầu để lấy oxy

- Người ta có chứng minh được rằng dẫn xuất hữu cơ từ NO2- như nitrosamin có thể gây bệnh ung thư, bởi vậy theo Quyết định số 505 ngày 13.4.1992 của Bộ Y tế thì hàm lượng các chất trên không vượt quá đối với

- Dưới đây ta sẽ xem các biện pháp khử các hợp chất trên trong cung cấp nước sạch phục vụ sinh hoạt, ăn uống

- Có thể khử NH4+ ra khỏi nước bằng phương pháp hóa lý hoặc phương pháp sinh học

Phương pháp hóa lý:

khử bằng cách nâng pH của nước lên > 7, làm thoáng cưỡng bức bằng

cùng chiều hoặc ngược chiều qua lớp vật liệu tiếp xúc dạng hạt chiều dày

hợp với quá trình xử lý nước thành Cloramonic

- Cloramonic có tác dụng kéo dài thời gian tiệt trùng

Phương pháp sinh học:

hợp quá trình diễn ra theo phương trình:

Các điều kiện cần thiết như sau:

- Có sẵn hoặc cấp thêm phốtpho tạo điều kiện cho vi khuẩn phát triển

- pH tốt nhất <7,5

- Vật liệu tiếp xúc thường chọn dạng hạt trong các bể lọc

- Không có các chất độc hại ( kim loại nặng, thuốc sát trùng )

nước chảy cùng chiều hay ngược chiều với khí cấp để lấy oxy có ảnh

Phương pháp khử Nitrat NO3-:

Nam là 10mg/l

Phương pháp hóa lý:

- Để khử nitrat dùng lọc thẩm thấu ngược, điện phân, trao đổi ion trong các bể lọc ionit Điều kiện áp dụng các phương pháp trao đổi ion:

- Nước có hàm lượng cặn <1mg/l

hơn Cl- lớn nhất cho phép có trong nước ăn uống Vì khi lọc qua bể lọc

-khi hoàn nguyên bể lọc anionit bằng dung dịch muối ăn

Phương pháp sinh học:

- Trong thực tế có thể gọi là quá trình thiếu oxy (anocixprocess) tức không cấp oxy từ ngoài vào Vi khuẩn thu năng lượng để tăng trưởng từ

- Nếu môi trường dinh dưỡng thiếu carbon thì phải thêm ví dụ metanol

2,86mg/l oxy Lượng oxy này có thể tận dụng 50% cấp cho quá trình Nitrat hóa

2.4.4 TÁC ĐỘNG CỦA CON NGƯỜI VÀO CHU TRÌNH NITO

- Ngày nay con người can thiệp rất mạnh vào chu trình Nitơ bằng cách sản xuất các loại phân đạm như ure CO(NH 2 ), amoni (NH 4 ) 2 SO 2 , NH 4 Cl,

NH 4 NO 3 Kết quả của việc sử dụng nhiều phân đạm là tăng năng suất cây trồng nhưng hệ quả của nó để lại là gây ô nhiễm nước, đất, gây ô nhiễm thức ăn cho bản thân con người qua hiện tượng tích lũy các loại đạm vô cơ trong thực vật, động vật

- Nguyên nhân của việc lượng Nitơ tăng quá cao (thừa Nitơ)

- Sự khởi đầu của cuộc cách mạng công nghiệp đã báo trước một sự thay đổi nghiêm trọng làm ảnh hưởng lớn đến sự cân bằng Nitơ

- Việc đốt cháy những nguyên liệu dưới lòng đất như than đá, dầu mỏ với qui mô lớn đã giải phóng những lượng lớn Nitơ oxit (bao gồm cả đinitơ oxit

- Điều này trở nên nghiêm trọng hơn khi Thế chiến I diễn ra, với sự phát

có sự tham gia của vi khuẩn cố định đạm nói trên)

- Lượng khí ammonia được sản xuất trở thành một nguồn tài nguyên đáng kể và được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất những thứ phân bón rẻ tiền cho hoa màu

- Việc đốt rừng làm rẫy cũng như sản xuất nylon cũng góp phần đáng kể vào sự gia tăng lương Nitơ Tuy nhiên, tầm quan trọng của nông nghiệp trên thế giới khiến chúng ta phân vân về việc có nên dừng điều chế Nitơ nhân tạo hay không? Tại sao chúng ta lại muốn quay trở lại giới hạn tự nhiên của chu trình Nitơ?

Tại sao chúng ta cần phải lo lắng?

- Có hai đối tượng chính chịu ảnh hưởng xấu của các hợp chất của N:

bình lưu và phá huỷ tầng ozone, dẫn đến sự gia tăng lượng bức xạ cực tím, gây ung thư da và đục thuỷ tinh thể

sương mù vào những ngày nắng nóng và không có gió Sương mù đó gây ra các bệnh đường hô hấp, phá hoại buồng phổi, tăng nguy cơ ung thư cũng như làm giảm sức đề kháng của con người

- Nitơ oxit cũng hòa tan hơi nước trong không khí và tạo thành mưa acid, bào mòn đá, các vật dụng bằng kim loại cũng như nhà cửa

- Năm 1967 một cây cầu trên sông Ohio bị sập do mưa acid, khiến 46 người chết Không chỉ thế, ngay đến con người, thực vật (bao gồm cả cây trồng của chúng ta) cũng gặp nguy hiểm Mối liên hệ giữa mưa acid, bệnh Alzheimer và các vấn đề về não bộ đã được nhiều nhà khoa học lưu ý

- Việc lạm dụng phân bón hoa màu cũng như các hợp chất của nitơ để nuôi gia súc đã dẫn đến một lượng lớn nitơ chảy vào trong các ao hồ Hậu quả là tảo phát triển mạnh ngoài sự kiểm soát nhờ vào “dòng lũ” Nitơ này,