Phân lập và tối ưu một số điều kiện sinh trưởng của vi khuẩn phản nitrate hóa trong mẫu nước thải tại trường đại học nông lâm thái nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM --- HOÀNG VĂN TRÌNH PHÂN LẬP VÀ TỐI ƯU MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN SINH TRƯỞNG CỦA VI KHUẨN PHẢN NITRATE HÓA TRONG MẪU NƯỚC THẢI TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

-

HOÀNG VĂN TRÌNH

PHÂN LẬP VÀ TỐI ƯU MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN SINH TRƯỞNG CỦA VI KHUẨN PHẢN NITRATE HÓA TRONG MẪU NƯỚC THẢI TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÁI NGUYÊN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo : Chính qui

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học

Khoa : CNSH - CNTP Khóa học : 2012 – 2016

Thái Nguyên – năm 2016

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

Hệ đào tạo : Chính qui

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học

Lớp : K45 - CNSH

Khoa : CNSH - CNTP Khóa học : 2012-2016

Giảng viên hướng dẫn: ThS Dương Mạnh Cường

Thái Nguyên – năm 2016

LỜI CẢM ƠN

Được sự đồng ý của Ban Giám hiệu nhà trường, Ban Chủ nhiệm khoa Công nghệ Sinh học-Công nghệ Thực phẩm, trong thời gian thực tập tốt nghiệp, em đã

tiến hành thực hiện đề tài “phân lập và tối ưu một số điều kiện sinh trưởng của

vi khuẩn phản Nitrate hóa trong mẫu nước thải tại trường Đại Học Nông Lâm Thái Nguyên”

Sau thời gian tham gia nghiên cứu thực hiện đề tài, đến nay em đã hoàn thành đề tài nghiên cứu của mình

Nhân dịp này em xin bày tỏ lòng biết ơn tới: ThS Dương Mạnh Cường, Khoa Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm, Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em thực hiện đề tài

Em xin gửi lời cảm ơn tới ThS Vi Đại Lâm đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Công nghệ Sinh Học và Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên đã dạy

dỗ, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học trong suốt thời gian học tập

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn ủng hộ, động viên để em có tự tin trong học tập và thực tập tốt nghiệp

Dù đã cố gắng nhiều, xong bài khóa luận không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Kính mong nhận được chỉ bảo, đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô cùng toàn thể các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 6 tháng 6 năm 2016

Sinh viên

Hoàng Văn Trình

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Các thiết bị sử dụng trong phòng thí nghiệm 20

Bảng 3.2 Các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 21

Bảng 4.1 Dấu hiệu phát triển của các dòng vi khuẩn trong môi trường Giltay 29

Bảng 4.2 Đặc điểm hình thái khuẩn lạc các dòng vi khuẩn nghiên cứu 31

Bảng 4.3 Đặc điểm tế bào các dòng vi khuẩn nghiên cứu 32

Bảng 4.4 Ảnh hưởng của pH đến sinh trưởng của dòng vi khuẩn A1 34

Bảng 4.5 Ảnh hưởng của pH đến sinh trưởng của dòng vi khuẩn A2 36

Bảng 4.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sinh trưởng của dòng vi khuẩn A1 37 Bảng 4.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng vi khuẩn A2 39

Bảng 4.8 Ảnh hưởng của các nguồn carbon khác nhau đến sinh trưởng của dòng vi khuẩn A1 41

Bảng 4.9 Ảnh hưởng của các nguồn carbon khác nhau đến sinh trưởng của dòng vi khuẩn A2 42

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Chu trình nitơ trong tự nhiên(Alfred Brown, Heidi Smith, 2014) 4 Hình 2.2 Quá trình chuyển hóa nito trong nước(nguồn:acc-biotech.com) 9 Hình 2.3 Hiện tượng tảo nở hoa (nguồn: vast.ac.vn) 10 Hình 2.4 Nguồn nước ô nhiễm tại suối sau khu ký túc K và ao thủy sản-

khoa Chăn Nuôi Thú Y, trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên

(Chụp ngày 05/04/2016) 18 Hình 4.1 Các dòng vi khuẩn phản nitrate hóa trên môi trường Giltay 27 Hình 4.2 Dòng vi khuẩn phản nitrate hóa trên môi trường chứa thuốc thử

Diphenylamine 29 Hình 4.3 Các dòng vi khuẩn A1, A2,A3, A4 và môi trường đối chứng sau

120 giờ nuôi cấy 30 Hình 4.4 Hình thái khuẩn lạc dòng vi khuẩn A1 và A2 32 Hình 4.5 Hình thái tế bào dòng vi khuẩn A1 và A2 32 Hình 4.6 Thử nghiệm khả năng hiếu khí, kỵ khí của các dòng vi khuẩn đã

phân lập 34 Hình 4.7 Biểu đồ ảnh hưởng của pH đến sinh trưởng của dòng vi khuẩn A1 35 Hình 4.8 Biểu đồ ảnh hưởng của pH đến sinh trưởng của dòng vi khuẩn A2 36 Hình 4.9 Biểu đồ ảnh hưởng của nhiệt độ đến sinh trưởng của dòng vi

khuẩn A1 38 Hình 4.10 biểu đồ ảnh hưởng của nhiệt độ đến sinh trưởng của dòng vi

khuẩn A2 39 Hình 4.11 Biểu đồ ảnh hưởng của các nguồn carbon khác nhau đến sinh

trưởng của dòng vi khuẩn A1 42Hình 4.12 Biểu đồ ảnh hưởng của các nguồn carbon khác nhau đến sinh

trưởng của dòng vi khuẩn A2 42

MỤC LỤC

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và yêu cầu của đề tài 3

1.2.1 Mục tiêu của đề tài 3

1.2.2 Yêu cầu của đề tài 3

1.3 Ý nghĩa của đề tài 3

1.3.1 Ý nghĩa trong khoa học 3

1.3.2 Ý nghĩa trong thực tiễn 3

PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

2.1 Cơ sở khoa học của đề tài 4

2.1.1 Tổng quan về chu trình nitơ trong tự nhiên 4

2.1.2 Chuyển hóa nito và tác hại của việc dư thừa nito trong nước thải 8

2.1.3 Xử lý nước thải giàu hợp chất chứa nitơ ứng dụng vi khuẩn phản nitrat hóa 12

2.1.4 Thực trạng nước thải tại trường Đại Học Nông Lâm Thái Nguyên 17

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới 18

2.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 18

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 19

PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 20

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 20

3.1.2 Phạm vi nghiên cứu 20

3.2 Địa điểm và thời gian tiến hành 20

3.2.1 Địa điểm nghiên cứu 20

3.2.2 Thời gian nghiên cứu 20

3.3 Dụng cụ, hóa chất 20

3.3.1 Dụng vụ, thiết bị 20

3.3.2 Hóa chất sử dụng 21

3.3.3 Môi trường sử dụng 22

3.4 Nội dung nghiên cứu 22

3.5 Phương pháp nghiên cứu 22

3.5.1 Phương pháp thu thập mẫu 22

3.5.2 Phương pháp Phân lập và tuyển chọn vi khuẩn phản nitrate hóa 23

3.5.3 Phương pháp mô tả đặc điểm hình thái, đặc điểm sinh học của các dòng vi khuẩn phản nitrate hóa 24

3.5.4 Phương pháp giữ giống 25

3.5.5 Phương pháp nghiên cứu tối ưu một số điều kiện của môi trường nuôi cấy đến sinh trưởng của các dòng vi khuẩn phản nitrate hóa 26

PHẦN 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27

4.1 Kết quả phân lập vi khuẩn nitrate hóa 27

4.2 Kết quả tuyển chọn các dòng vi khuẩn có hoạt tính phản nitrate hóa (khử nitrate) 27

4.2.1 Tuyển chọn các dòng vi khuẩn có hoạt tính phản nitrate hóa bằng phản ứng với thuốc thử diphenylamine 28

4.2.2 Tuyển chọn các dòng vi khuẩn có hoạt tính phản nitrate hóa dựa trên đặc điểm sinh trưởng của từng dòng vi khuẩn 29

4.3 Kết quả Định danh sơ bộ các dòng vi khuẩn đã tuyển chọn 31

4.3.1 Đặc điểm hình thái khuẩn lạc 31

4.3.2 Đặc điểm hình dạng tế bào 32

4.3.3 Khả năng sinh trưởng trong môi trường hiếu khí, kỵ khí 33

4.4 Kết quả nghiên cứu tối ưu một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng của vi khuẩn phản nitrate hóa 34

4.4.1 Ảnh hưởng của pH đến sinh trưởng của dòng vi khuẩn A1 và A2 34

4.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sinh trưởng của dòng vi khuẩn A1 và A2 37

4.3.3 Ảnh hưởng của các nguồn carbon khác nhau đến sinh trưởng của hai dòng vi khuẩn A1 và A2 40

PHẦN 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45

5.1 Kết luận 45

5.2 Kiến nghị 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

I Tài liệu Tiếng Việt 46

II Tài liệu tiếng anh 46

III Tài liệu tham khảo từ Internet 47

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Ô nhiễm môi trường đang là một vấn đề nóng bỏng, đáng lo ngại đối với các quốc gia trên toàn thế giới hiện nay, trong đó có Việt Nam Tình trạng ô nhiễm môi trường sinh thái chủ yếu do các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con người gây ra Vấn đề này ngày càng trầm trọn đe dọa trực tiếp tới sự phát triển kinh tế - xã hội, sự tồn tại và phát triển của các thế hệ hiện tại và tương lai

Ô nhiễm môi trường bao gồm 3 loại chính là: ô nhiễm không khí, ô nhiễm đất và

ô nhiễm nguồn nước Trong ba loại ô nhiễm đó thì ô nhiễm nước là vấn đề rất nghiêm trọng, đặc biệt ở các khu vực tập trung đông dân cư và các khu công nghiệp Nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nước chủ yếu là nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý hoặc

xử lý chưa triệt để, khi đổ ra ngoài môi trường gây ô nhiễm nguồn nước trong các ao

hồ sông suối xung quanh

Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong khoảng 52% là các chất hữu cơ, 48% là các chất vô cơ và một lượng lớn vi sinh vật (Trần văn Nhân, Ngô Thị Nga, 2002), do đó hàm lượng nitơ trong nước thải rất cao, khi đổ ra môi trường nước trong các kênh, mương, ao, hồ, sông suối sẽ tác động tiêu cực đến

hệ sinh thái nước và các quần thể thủy sinh vật gây những ảnh hưởng như: Hiện tượng phú dưỡng trong hệ sinh thái nước dẫn tới sự phát triển bùng nổ của tảo và vi sinh vật còn gọi là hiện tượng tảo nở hoa, làm cạn kiệt nguồn oxy trong nước, gây độc với hệ sinh thái nước, khi xâm nhập vào nước ngầm dưới dạng các ion nitrite và nitrate con người sử dụng nguồn nước ngầm trong sinh hoạt đun nấu,lượng các chất này khi xâm nhập vào cơ thể sẽ gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người như hội chứng trẻ da xanh (methahemoglobin), nguy cơ gây ung thư

Để giải quyết vấn đề trên, việc nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật để xử lý nước bị

ô nhiễm đang ngày càng phổ biến Các phương pháp vật lý, hóa học… gây những tác dụng phụ, những tác hại về sau và không an toàn thân thiện với môi trường,ưu điểm của việc sử dụng vi sinh vật giúp tăng cường khả năng phục hồi, khả năng tự làm sạch môi trường, có tính ổn định cao và thân thiện với môi trường

Trong tự nhiên, vi sinh vật loại bỏ hàm lượng nitơ dư thừa trong nước bằng cách chuyển hóa nitơ dạng hữu cơ và vô cơ thành dạng khí N2 thoát ra ngoài môi trường Quá trình này diễn ra chủ yếu nhờ các quá trình amon hóa, nitrate hóa và phản nitrate hóa Dạng tồn tại phổ biến của nitơ trong nước là NH3 cùng các muối NH4+, quá trình nitrate hóa sẽ chuyển hóa các Amoni thành nitrite NO2-, sau đó nitrite NO2-

sẽ chuyển hóa thành NO3- Tiếp đến quá trình phản nitrate hóa (khử nitrate) chuyển hóa từ NO3-thành N2 hoàn tất chu trình nitơ Trong đó quá trình phản nitrate hóa là một mắt xích quan trọng trong chu trình nitơ tự nhiên, quá trình này xảy ra trong môi trường kỵ khí

(thiếu oxy) nhờ các loài vi khuẩn như: Pseudomonas, Micrococcus, Paracoccus,

Bacillus (U.S EPA, 1975) Chúng lá những vị khuẩn kỵ khí không bắt buộc quá

trình này sẽ chuyển hóa hợp chất nitrate thành nitơ phân tử để bù trả lại nitơ cho không khí giúp làm giảm lượng nitơ có trong môi trường nước bị ô nhiễm

Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên thuộc Tổ 10, xã Quyết Thắng–Thành Phố Thái Nguyên, nằm ở phía Tây cách trung tâm thành phố khoảng 5km, có diện tích lớn, khoảng 102,85ha (TUAF, 2015), có nhiều người dân, sinh viên, nghiên cứu sinh sinh sống học tập và làm việc trong trường Do đó các hoạt động sinh hoạt và làm việc trong trường Nông Lâm thường xuyên gây phát sinh một lượng nước thải lớn, lượng nước thải này thải ra môi trường bên ngoài phần lớn chưa qua xử lý gây ô nhiễm nguồn nước các ao, hồ, suối xung quanh trường và ảnh hưởng tới cuộc sống của chính những người đang sinh sống, học tập và làm việc tại trường

Xuất phát từ thực tế đó tôi tiến hành nghiên cứu đề tài “phân lập và tối ưu một

số điều kiện sinh trưởng của vi khuẩn phản Nitrate hóa trong mẫu nước thải tại trường Đại Học Nông Lâm Thái Nguyên” Nhằm tiến tới xây dựng quy trình phục

hồi sinh học trong xử lý nitơ, góp phần cải tạo môi trường, giảm thiểu ô nhiễm và bảo

vệ cảnh quan nhà trường

1.2 Mục tiêu và yêu cầu của đề tài

1.2.1 Mục tiêu của đề tài

Phân lập một số dòng vi khuẩn phản nitrat hóa trong một số mẫu nước, làm cơ sở

để tiến hành định danh các chủng và xây dựng các quy trình phục hồi sinh học nhằm giảm thiểu lượng Nitơ trong các mẫu nước thải

1.2.2 Yêu cầu của đề tài

- Thu thập một số mẫu nước tại một số địa điểm trong trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên

- Phân lập, tuyển chọn được một số dòng vi khuẩn phản Nitrate hóa trong các mẫu nước thải

- Định danh sơ bộ các dòng vi khuẩn phản nitrate hóa đã tuyển chọn

- Tối ưu một số điều kiện sinh trưởng của các dòng vi khuẩn phản nitrate hóa đã phân lập được

1.3 Ý nghĩa của đề tài

1.3.1 Ý nghĩa trong khoa học

Kết quả của đề tài là tài liệu tham khảo cho những nghiên cứu tiếp theo về xử lý

ô nhiễm môi trường nước Giảm thiểu lượng nitơ trong nước thải nhằm xây dựng các quy trình phục hồi sinh học, giảm thiểu ô nhiễm môi trường

1.3.2 Ý nghĩa trong thực tiễn

Kết quả của đề tài là cơ sở để nhà trường xử lý tốt hơn nguồn nước thải tại trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên

PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Cơ sở khoa học của đề tài

2.1.1 Tổng quan về chu trình nitơ trong tự nhiên

2.1.1.1 Chu trình nitơ trong tự nhiên

Là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng đối với sinh vật, nitơ có mặt và là thành phần của mọi cơ thể sống Trong môi trường tự nhiên Nitơ tồn tại ở các dạng khác nhau, từ nitơ phân tử ở dạng khí cho đến các hợp chất hữu cơ phức tạp có trong cơ thể động vật, thực vật và con người (Trần Thị Xuân An, 2009)

Hình 2.1 Chu trình nitơ trong tự nhiên(Alfred Brown, Heidi Smith, 2014)

Trong cơ thể sinh vật, Nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất hữu cơ như protein, acid amin Khi cơ thể sinh vật chết đi lượng nitơ hữu cơ này tồn tại ở trong đất Dưới tác động của các nhóm vi sinh vật hoại sinh, protein được phân giải thành các acid amin, các acid amin lại được một nhóm sinh vật phân giải thành NH3 hoặc

NH4+ gọi là nhóm vi khuẩn amoni hóa Quá trình này gọi là sự khoáng hóa hữu cơ vì qua đó hợp chất ni tơ hữu cơ được chuyển thành dạng ni tơ khoáng Dạng NH4+ sẽ

được chuyển thành dạng NO3- nhờ nhóm vi khuẩn nitrate hóa Các hợp chất nitrate lại được chuyển hóa thành nitơ phân tử, quá trình này gọi là phản nitrate hóa được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn phản nitrate Khí N2 sẽ được cố định lại trong tế bào vi khuẩn

và tế bào thực vật sau đó được chuyển hóa thành dạng nitơ hữu cơ nhờ nhóm vi khuẩn

cố định nitơ (Lê Quốc Tuấn, 2009) Như vậy vòng tuần hoàn nitơ được khép kín Trong các khâu chuyển hóa của vòng tuần hoàn nitơ mỗi khâu chuyển hóa đều có

sự tham gia của các nhóm vi sinh vật khác nhau, nếu sự hoạt động của một nhóm nào

đó bị ngưng lại thì vòng tuần hoàn nitơ sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng

2.1.1.2 Các quá trình chuyển hóa nitơ trong tự nhiên

a Quá trình amon hóa

Quá trình amôn hoá là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ chứa nitơ dưới tác dụng của vi sinh vật thành các chất đơn giản hơn là NH4+ hoặc NH3 (Trần Thị Xuân

An, 2009) Trong thiên nhiên tồn tại nhiều dạng hợp chất hữu cơ nito như protein, acid amin, acid nucleic, urue khi các sinh vật chết đi xác chúng được phân hủy bởi nhiều loại vi sinh vật Protein bị phân hủy bởi protease, giải phóng axit amin trong đó nhóm amin được loại bỏ bằng cách khử amin để giải phóng amoniac axit nucleic cũng bị phân hủy, giải phóng amoniac, và chất thải động vật như acid uric bị phân hủy tạo ra amoniac Quá trình tạo ra amoniac được gọi là amon hóa (Alfred Brown, Heidi Smith, 2014)

(vi khuẩn amon hóa)

Vi khuẩn và thực vật đồng hóa amoniac để tổng hợp protein mới và các acid nucleic cho sự sinh trưởng của chúng, có nhiều loại vi khuẩn thực hiện quá trình

amoniac hóa trong đất bao gồm: Micrococcus, Clostridium, Bacillus, Pseudomonas

và còn nhiều loại vi khuẩn khác(Alfred Brown, Heidi Smith, 2014) Đa số các vi

khuẩn tham gia vào quá trình amon hóa là vi khuẩn hiếu khí hoặc kỵ khí không bắt buộc chúng ưa pH từ trung tính đến hơi kiềm (Lê Quốc Tuấn, 2009) Ngoài ra có nhiều loại nấm mốc như Aspergillus oryzae, A flavus,

A niger, Penicilium camemberti… cũng có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ

thành moniac

b Quá trình Nitrate hóa

NH4+ được sinh ra trong quá trình amon hoá bị oxy hoá thành NO2-, rồi sau đó thành NO3- Quá trình này gọi là quá trình nitrat hoá Nhóm vi khuẩn thực hiện quá trình này là vi khuẩn nitrate hoá (Trần Thị Xuân An, 2009) Sau quá trình amon hóa một phần NH3 được hình thành được thực vật hấp thụ, một phần kết hợp với các hợp chất trong đất tạo tạo thành các muối amoni NH4+ (Alfred Brown, Heidi Smith, 2014) Muối amoni một phần được cây trồng và vi sinh vật hấp thụ, một phần được oxy hóa thành nitrate Quá trình này gồm hai giai đoạn là nitrite hóa và nitrate hóa

(Nitrosomonas) (Nitrobacter)

NH4 +

 Giai đoạn Nitrite hóa:

Là quá trình oxy hóa NH4+ thành NO2- được tiến hành bởi nhóm vi khuẩn nitrite hóa thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng, có khả năng oxy hóa NH4+ bằng oxy và tạo ra năng lượng

NH4+ + 3/2O2  NO2- + H2O + 2H + Q (năng lượng) Năng lượng được dùng để đồng hóa CO2 tạo cacbon hữu cơ Thực hiện trong môi

trường hiếu khí Nhóm vi sinh vật Nitrite hóa bao gồm: Nitrosomonas, Nitrozolobus,

Nitrozocystis (Gabriel Bitton, 2005),chúng là những vi khuẩn gram âm, hiếu khí, ưa

pH từ trung tính đến hơi kiềm

 Giai đoạn Nitrate hóa:

NO2- được tạo thành từ giai đoạn nitrite tiếp tục được oxy hóa thành NO3- bởi nhóm vi khuẩn Nitrate hóa,cũng tiến hành trong môi trường hiếu khí đây cũng là các

vi khuẩn tự dưỡng hóa năng, chúng oxy hóa Nitrite để cung cấp năng lượng đồng hóa

CO2

NO2- + 1/2O2  NO3-

Nhóm vi khuẩn khử Nitrate gồm: Nitrobacter, Nitrospira chúng là những vi

khuẩn hiếu hiếu khí, ưa pH từ trung tính đến hơi kiềm Ngoài ra một số loài vi khuẩn

dị dưỡng cũng có thể tiến hành nitrate hóa như: streptomyces, corynebacterium

Xuân An, 2009)

c Quá trình phản nitrate hóa (khử Nitrate)

Trong môi trường thiếu oxy các nhóm vi khuẩn khử Nitrate sẽ tách oxy của NO3-

để oxy hóa chất hữu cơ, phân tử N2 tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước Quá trình này xảy ra theo 4 giai đoạn như sau:

NO3-  NO2-  NO(K)  N2O(K)  N2(K)Trong đó NO2-, NO, N2O là sản phẩm trung gian và mỗi giai đoạn được xúc tác bởi một hệ enzzyme khác nhau, quá trình này được gọi là dị hóa

Nhóm vi khuẩn thực hiện quá trình phản Nitrate hóa khá phong phú, Phần lớn

chúng là các vi khuẩn dị dưỡng như: Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas,

paracocus, Achromobacter (Alfred Brown, Heidi Smith, 2014), (Gabriel Bitton,

2005), chúng là những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng, kỵ khí không bắt buộc, các vi

khuẩn này có thể sử dụng O2 hoặc NO3- làm chất nhận electron cuối cùng trong quá trình hô hấp (Phạm Thị Huệ, 2010)

Trong môi trường có oxy chúng sẽ xử dụng oxy làm chất nhận điện tử để oxy hóa triệt để chất hữu cơ thành CO2 và nước

C6H12O6 + 6O2  6CO2 +6H2O +Q(năng lượng)

Ở trong môi trường thiếu oxy chúng sẽ xử dụng NO3- hoặc có thể cả NO2 làm chất nhận điện tử trong quá trình hô hấp để oxy hóa chất hữu cơ

C6H12O6 + 4NO3  6CO2 +6H2O + 2N2 + Q(năng lượng)

Ngoài ra cũng có một số vi khuẩn tự dưỡng tham gia vào quá trình phản nitrate

hóa như: Thiobacillus denitrificans, hydrogenomonas

Vi khuẩn phản nitrate hóa phân bố rộng rãi trong tự nhiên, chúng hoạt dộng mạnh ở pH từ trung tính đến hơi kiềm Khi các vi khuẩn phân giải nitrate, trong môi trường sẽ tích luỹ một số gốc kiểm (K, Ca, Na) các gốc kiềm này sẽ sinh ra KOH, Ca(OH)2, NaOH, do đó quá trình này bao giờ cũng làm kiềm hoá môi trường

d Quá trình cố định nitơ

Là quá trình cố định nitơ thành NH3 dưới tác dụng Enzyme của enzyme Nitogenase của vi sinh vật Đây là quá trình quan trọng nhất để chuyển hóa Nitơ vô cơ thành Nito hữu cơ (Phạm Thị Huệ, 2010)

Có 3 nhóm sinh vật có khả năng cố định nitơ: Nhóm cộng sinh với cây họ đậu, nhóm sống tự do trong đất và nhóm tảo Trong đó góp phần quan trọng nhất là nhóm

Rhizobium cộng sinh với cây họ đậu Cơ chế của quá trình cần enzyme nitrogenase của

vi sinh vật, legemoglobin của thực vật và năng lượng tế bào

(Nitrogenase)

N2 + 6e + 12ATP + 12H2O 2NH4 + 12ATP + 12P + 4H+

Nitrogenase gồm hai thành phần khác nhau, một phần gồm protein và Fe, phần còn lại gồm protein, Mo, Fe Electron của chất khử sẽ đi vào thành phần thứ nhất (gồm protein và Fe) sau đó được chuyển sang thành phần thứ hai, qua đó eclectron được hoạt hóa có thể phản ứng với nito nitơ cũng đi qua hai thành phần của Nitrogenase và được hoạt hóa Hydro được hoạt hóa nhờ các enzyme của hệ thống Hydrogenase Năng lượng dùng trong quá trình này là ATP của tế bào, cuối cùng NH3 được hình thành Khi hàm lượng NH3 đến một mức độ nào đó sẽ kìm hãm lại hoạt động của Nitrogenase Đó chính là yếu tố điều hòa hoạt tính của enzyme

2.1.2 Chuyển hóa nito và tác hại của việc dư thừa nito trong nước thải

2.1.2.1 Trạng thái tồn tại và quá trình chuyển hóa của Nitơ trong nước thải

Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu cơ, amoni và các hợp chất dạng ôxy hoá (NO2 -, NO3-)(Trần Đức Hạ, 2006) Các dạng này

là các khâu trong chuỗi phân hủy hợp chất chứa nitơ hữu cơ

Hình 2.2 Quá trình chuyển hóa nito trong nước(nguồn:acc-biotech.com)

Các hợp chất chứa nitơ là các chất dinh dưỡng, chúng luôn luôn chuyển hóa trong tự nhiên Các hợp chất hữu cơ chứa nito được phân hủy bởi nhóm vi khuẩn Amon hóa , Amoni được hấp thụ bởi vi thực vật nhưng ở môi trường nước Amoni gây độc cho cá tôm và các vi sinh vật thủy sinh khác

Là giai đoạn đầu của khâu chuyển hóa các hợp chất nitơ trong nước nên nếu trong môi trường nước chứa nhiều hợp chất hữu cơ và amoni thì chứng tỏ mới bị ô nhiễm Amoni trong điều kiện kỵ khí cũng có thể hình thành từ các ion nitrate (NO3-)

do quá trình hô hấp kỵ khí còn gọi là quá trình amon hóa nitrate

Quá trình chuyển hóa từ amoni thành nitrite (NO2-) cần thời gian để các vi sinh vật phân hủy, do đó nếu trong môi trường nước có chứa hàm lượng nitrite (NO2 -) là chủ yếu thì thì nước đã bị ô nhiễm một thời gian dài Các ion nitrite (NO2-) là sản

phẩm trung gian của quá trình oxy hóa amoniac nhờ các vi khuẩn nitrosomonas, tuy

nhiên nó cũng có thể là sản phẩm chung gian của quá trình khử nitrate trong điều kiện

nitrate (NO3-) dễ bị vi sinh vật khử thành N2O, NO và sau cùng là nitơ phân tử và hòa vào không khí

2.1.2.2 Tác hại của việc dư thừa Nitơ trong nước thải

a Đối với môi trường nước

Trong môi trường nước khi hàm lượng Nitơ cao gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến

hệ sinh thái trong môi trường nước, tác động trực tiếp đến hệ sinh vật trong chính môi trường nước và môi trường trên cạn ở xung quanh

Hình 2.3 Hiện tượng tảo nở hoa (nguồn: vast.ac.vn)

Khi trong nước thải có nhiều Amoniac có thể gây độc cho cá và hệ động vật thủy sinh, làm suy giảm lượng oxy hòa tan trong nước (Trần Đức Hạ, 2006) Hàm lượng nitơ trong nước cao khi chảy vào ao, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng, do vậy nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du như rêu, tảo (hiện tượng tảo nở hoa) gây nên tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn, sản sinh nhiều độc tố trong nước như NH4+, H2S, CO2, CH4 (Alfred Brown, Heidi Smith, 2014), tiêu diệt nhiều loại sinh vật có ích trong nước Ta gọi đó là hiện tượng phú dưỡng nguồn nước (Hình 2.3.)

b Đối với sức khỏe con người

Là chất có khả năng hòa tan cao trong nước, các ion nitrate (NO3-) và nitrite (NO2-) trong nước thải có thể dễ dàng hòa tan và xâm nhiễm vào các nguồn nước ngầm sinh hoạt hằng ngày (Alfred Brown, Heidi Smith, 2014), khi xâm nhập vào cơ thể người theo con đường ăn uống nó sẽ gây độc hại đối với con người

Nước uống nhiễm NO3

có thể ảnh hưởng tới sức khỏe của con người do sự khử nitrate trong ruột Sự khử NO3- thành NO2- do vi khuẩn và sự xâm nhập sau đó của

NO2- vào máu là nguyên nhân của sự tạo thành methahemoglobin Ở đây oxy của

NO2- liên kết chặt không thuận nghịch với hemoglobin khiến cho hồng cầu mất khả năng vận chuyển oxy Các chủng vi khuẩn khử nitrate đi qua dạ dày bình thường chỉ đến ruột chúng mới khử nitrate, sinh trưởng và tích lũy NO2- Sự tạo thành methahemoglobin đặc biệt thấy rõ ở trẻ em Trẻ em mắc chứng bệnh này thường xanh xao và dễ bị đe dọa tới cuộc sống đặc biệt là trẻ em dưới 6 tháng tuổi Ở trẻ em lớn tuổi và người lớn vi khuẩn bị chết trong dịch vị có pH axit, NO2- được hấp thụ lại trước khi bị khử trong ruột ở pH thích hợp NO2-

còn là chất độc gây bệnh ung thư vì

nó tạo thành axit nitơ trong nước sau đó kết hợp với các axit amin để tạo thành

Nitrosamin là một trong các tác nhân gây ung thư cho con người (Alfred Brown, Heidi

Smith, 2014)

Amoniac hầu như không có ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ con người, nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý amoniac được chuyển hoá thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) là những chất có tính độc hại đối với con người Ngoài ra, nếu trong nước sinh hoạt hằng ngày tồn tại amoniac sẽ làm giảm hiệu quả của khâu clo hoá sát trùng là bước cuối cùng trong quá trình xử lý nước hiện hành, nhằm đảm bảo nước hoàn toàn an toàn về mặt vi sinh khi đến tay người tiêu dùng Khi có mặt amoniac, hợp chất này phản ứng ngay với clo tạo thành cloramin (bao gồm monochloramine, dichloramine, trichloramine, organochloramine) có tính sát khuẩn kém hàng trăm lần

so với clo nguyên tố Bên cạnh đó amoniac là nguồn dinh dưỡng cho các sinh vật nước, tảo sinh trưởng và phát triển Sự phát triển này làm ô nhiễm nước thứ cấp trong quá trình lưu trữ, đồng thời sinh ra các chất độc nitrite và nitrate

2.1.3 Xử lý nước thải giàu hợp chất chứa nitơ ứng dụng vi khuẩn phản nitrat hóa

2.1.3.1 Vi khuẩn phản nitrate hóa loại bỏ nitơ trong nước thải

Trong các quá trình chuyển hóa nitơ trong nước, không giống các quá trình amon hóa, nitrate hóa xảy ra trong điều kiện hiếu khí, nơi có lượng oxy tự do hòa tan cao trên tầng bề mặt nguồn nước Quá trình phản nitrate hóa là quá trình chuyển hóa nitơ duy nhất xảy ra trong điều kiện kỵ khí, quá trình này khử và tách Nitơ phân tử từ ion nitrate (NO3-) loại nito phân tử ra khỏi môi trường nước trả lại nitơ cho khí quyển, ổn định vòng tuần hạn nitơ, không làm cạn kiệt nguồn nitơ trong khí quyển

Trong môi trường nước quá trình phản nitrate hóa xảy ra ở tầng đáy bùn, chỗ nước ngập lâu ngày, thiếu oxy hòa tan, quá trình này làm phân hủy nitrate và Nitrite nên đối với trồng trọt nông nghiệp thì quá trình Nitrate là quá trình có hại cho cây trồng khi sử dụng các loại phân bón chứa nito (Alfred Brown, Heidi Smith, 2014), tuy nhiên trong nước thải thì quá trình phản nitrate hóa là quá trình có lợi vì quá trình phản nitrate hóa làm giảm hàm lượng nitrate, nitrite trong nước, hạn chế tình trạng dư thừa nitrate trong nước (gây phú dưỡng nguồn nước, làm giảm lượng oxy hòa tan tác động tiêu cực môi trường sinh thái dưới nước) hạn chế sự xâm nhiễm của nitrate và nitrite vào nguồn nước ngầm, vì vậy quá trình phản nitrate hóa được áp dụng trong các cở sở xử lý nước thải sinh học

Các vi khuẩn phản nitrate hóa hầu hết là vi khuẩn tự dưỡng, kỵ khí không bắt buộc, nếu cả nitrate (NO3-) và oxy tự do (O2) cùng có mặt thì chúng sẽ sử dụng O2 làm chất nhận electron vì hô hấp hiếu khí sẽ sinh ra nhiều năng lượng hơn hô hấp kỵ khí

Số lượng các chủng vi khuẩn phản nitrate hóa rất phong phú, chúng phần lớn là

các vi khuẩn dị dưỡng, bao gồm các vi khuẩn như: Bacillus, Pseudomonas,

Methanomonas, paracocus, Thiobacillus trong đó chủng vi khuẩn đặc trưng được áp

dụng nghiên cứu nhiều nhất trong quá trình phản nitrate hóa là Pseudomonas,

Paracoccus và Bacillus

Cũng như các loài vi khuẩn dị dưỡng khác vi khuẩn phản nitrate hóa sử dụng nguồn carbon hữu cơ để tổng hợp tế bào, chỉ có một số ít loài vi khuẩn phản nitrate tự

dưỡng, chúng không sử dụng nguồn cacbon hữu cơ mà sử dụng nguồn cacbon vô cơ

để tổng hợp tế bào

2.1.3.2 Đặc điểm sinh học của một số vi khuẩn phản nitrate hóa

a Đặc điểm sinh học của vi khuẩn Pseudomonas

Pseudomonas là chi vi khuẩn sống tự do, có mặt ở hầu hết mọi nơi trong môi

trường sống, là vi khuẩn dị dưỡng hóa năng có khả năng sử dụng linh hoạt một loạt các hợp chất hữu cơ và các chất vô cơ trong quá trình sinh trưởng và tổng hợp sinh khối (Martin Dworkin và cs, 2002)

Vi khuẩn Pseudomonas có thể sống và sinh trưởng trong nhiều điều kiện khác

nhau của môi trường,chúng có mặt ở trong đất, trong môi trường nước trong các loài thực vật, động vật và cả con người

Chi Pseudomonas được biết đến với khả năng chuyển hóa nhanh hầu hết các

chất, có tính di truyền cao và sự sinh trưởng nhanh chóng khả năng đặc biệt là chuyển hóa một số chất như chất hữu cơ Hidrocacbon béo, hidrocacbon thơm và thường đề kháng với thuốc kháng sinh, thuốc khử trùng, chất tẩy rửa, kim loại nặng

Vi khuẩn Pseudomonas có đặc điểm hình thái học chung là tế bào hình que dạng

thẳng hoặc hơi cong thanh nhưng không xoắn, rộng khoảng 0,5-1µm (Martin Dworkin

và cs, 2002), dài khoảng 1,5-5µm Các tế bào thường rời rạc, đôi khi theo hoặc dây chuyền ngắn Là vi khuẩn Gram âm, có khả năng di động nhờ có roi

Vi khuẩn Pseudomonas có khả năng sống trong dải nhiệt độ rộng từ 4- 420C chúng phát triển tốt nhất ở khoảng 28-300C, khi nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao chúng sẽ ngừng

hoạt động Pseudomonas sinh trưởng mạnh nhất ở pH trung tính đến hơi kiềm Thích nghi

với dải pH rộng, chúng có khả năng sinh trưởng trong khoảng pH từ 4-8

Là vi khuẩn hiếu khí tùy tiện, tuy nhiên vi khuẩn Psedomonas có mặt nhiều

hơn trong môi trường hiếu khí nơi nguồn dinh dưỡng.trong quá trình hô hấp chúng sử dụng oxy làm chất nhận điện tử Tuy nhiên trong môi trường kỵ khí chúng có thể sử dụng nitrate làm chất nhận điện tử thay thế, chính vì thế chúng vẫn có thể sinh trưởng và phát triển bình thưởng trong môi trường kỵ khí Trong

điều kiện phòng thí nghiệm khi phân lập vi khuẩn thuộc chi Pseudomonas người

ta thường bổ sung nguồn hữu cơ chứa carbon và nitơ và cho thêm các hợp chất chứa nitrate và nuôi cấy trong điều kiện kỵ khí

b Đặc điểm sinh học của vi khuẩn Paracoccus

Vi khuẩn Paracoccus lần đầu tiên được phân lập và nghiên cứu bởi hai nhà vi sinh vật học là Beijerinck và Minkman (1910) Ban đầu được đặt tên là Micrococcus

Denitrificans, chúng được phân lập trong điều kiện kỵ khí, môi trường chứa canh thịt

bổ sung các hợp chất chứa ion nitrate (10g/l), sau quá trình nuôi cấy phân lập,

Paracoccus phát triển mạnh và làm chuyển hóa ion NO3- thành nitrite (NO2-) và tạo bọt khí N2 nổi lên trên bề mặt môi trường Sau đó đã có nhiều công trình nghiên cứu

về chi vi khuẩn này như Koster (1996) Paracoccus trở thành loài vi khuẩn chính điển

hình trong việc nghiên cứu về quá trình khử nitơ trong cả hai môi trường đất và nước

Vi khuẩn Paracoccus có đặc điểm hình thái học chung là tế bào hình cầu (cầu

khuẩn) có đường kính tế bào khoảng từ 0,4-0,9µm, một số có tế bào hình trực cầu khuẩn có kích thước tế bào lên đến khoảng 2µm Các tế bào thường đơn lẻ đôi khi theo

từng cặp Paracoccus là vi khuẩn gram âm (G-), và không có khả năng di động

(Martin Dworkin và cs, 2002)

Paracoccus là vi khuẩn hiếu khí tùy tiện sinh trưởng mạnh trong cả hai điều kiện

hiếu khí và kỵ khí, chúng có thể sử dụng oxy tự do và nitrate làm chất nhận electron cuối cùng trong quá trình hô hấp Nguồn dinh dưỡng để tổng hợp tế bào là các hợp chất hữu cơ chứa nitơ và Carbon như Peptone, Asparagin, acid citric, methanol và một số các nguyên tố khoáng đa vi lượng như K, Mg, Fe, P do đó trong quá trình phân lập và nuôi cấy người ta thường bổ sung và nguyên tố trên dưới dạng hợp chất với hàm lượng ít đủ để vi khuẩn sinh trưởng và phát triển tốt nhất

Vi khuẩn Paracoccus có thể sinh trưởng trên dải nhiệt độ rộng, từ khoảng

5-40oC, chúng phát triển tốt nhất ở nhiệt độ từ 25-37oC, pH tối ưu nằm trong khoảng pH

từ 6,5-8,5

Vi khuẩn Paracoccus có ở tầng đáy bùn các kênh, mương, suối, ao, hồ nơi có

nhiều rác thải sinh hoạt, chăn nuôi xả vào môi trường nước dẫn đến tròn nước có hàm

lượng nito cao Sự có mặt của vi khuẩn Paraacoccus và các loài vi khuẩn khác có khả

năng sử dụng nitrate làm chất nhận electron trong môi trường nước là quá trình có lợi

vì chúng làm giảm hàm lượng nitơ trong nước, giảm hiện tượng phú dưỡng cũng như hạn chế sự xâm nhập của nitrate và nitrite vào nước ngầm (Martin Dworkin và cs, 2002) tuy nhiên trong nông nghiệp trồng trọt sự có mặt của chúng lại quá trình có hại

vì chúng làm giảm lượng đạm nito cung cấp cho cấy trồng gây hao phí lượng lơn phân đạm và thiệt hại cho cây trồng (Alfred Brown, Heidi Smith, 2014)

2.1.3.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phản nitrate hóa

a Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình phản nitrate hóa

Quá trình phản nitrate hóa vẫn có thể xảy ra ở nhiệt độ cao từ 35-500C và nhiệt

độ thấp từ 5- 100C , nhưng ở tốc độ của quá trình rất chậm ( Gabriel Bitton, 2005) Đa

số các loài vi khuẩn phản nitrate hóa đều dễ thích nghi với sự thay đổi của nhiệt độ do

đó điều quan trọng là phải xem xét sự khác nhau giữa ảnh hưởng của nhiệt độ trong thời gian dài và thời gian ngắn tới quá trình phản nitrate hóa

Tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật và tốc độ khử nitrate đều chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ nên cần phải thử nghiệm ở hai điều kiện là nhiệt độ thay đổi nhanh tức thời và thay đổi chậm

b Ảnh hưởng của PH đến quá trình phản nitrate hóa

Ở pH thấp quá trình phản nitrate hóa không thể xảy ra được bởi pH thấp làm giảm hoạt động của của các vi khuẩn nitrate Nhiều nghiên cứu khác nhau chỉ ra các giá trị pH tối ưu cho quá trình phản nitrate hóa khác nhau, nhưng phần lớn đều cho thấy rằng tốc độ phản nitrate hóa có giá trị cao nhất từ pH trung tính đến hơi kiềm, ở khoảng pH từ 7-7,5 (Christensen, M.H, 1977)

Tác động của pH cũng phụ thuộc vào thời gian tác động, trong quá trình phản nitrate hóa xảy ra pH môi trường không thay đổi nhiều bởi quá trình phản nitrate hóa sinh ra acid nhưng đồng thời cũng sinh ra kiềm để trung hòa

c Ảnh hưởng của nguồn carbon đến quá trình phản nitrate hóa

Là nguồn vật chất cung cấp chất C trong quá trình sinh trưởng tổng hợp sinh khối của vi khuẩn phản nitrate hóa (Nguyễn Lân Dũng và cs, 2000) Các vi khuẩn phản nitrate hóa thưởng chỉ sử dụng được một số nguồn carbon chọn lọc gồm các acid hữu

cơ (acid lactic, acid citric ), methanol, ethanol, peptone

Đa số các loài vi khuẩn phản nitrate hóa không thể sử dụng hoặc ít sử dụng được các nguồn carbon phổ biến như đường (glucose, fructose, maltose, saccarose, tinh bột, galactose, lactose, mannite, cellobiose, cellulose, hemicellulose, chitin ) và các hợp chất carbon vô cơ khác (các muối carbonat, carbon oxit)( Gabriel Bitton, 2005)

Ngoài ra sự có mặt của nguồn carbon ở các nồng độ khác nhau cũng ảnh hưởng lớn đến sinh trưởng của vi khuẩn phản nitrate hóa, do đó ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình phản nitrate hóa

d Ảnh hưởng của các yếu tố khác đến quá trình phản nitrate hóa

- Lượng oxy hòa tan (DO): Quá trình phản nitrate hóa xảy ra khi NO3- được vi sinh vật sử dụng làm chất nhận điện tử trong phản ứng oxy hóa chất hữu cơ thu năng lượng trong điều kiện kỵ khí, nếu môi trường có oxy vi sinh vật sẽ ưu tiên sử dụng oxy làm chất nhận điện tử khi đó quá trình phản nitrate hóa bị cản trở

- Nguồn nitơ: nguồn nitơ thường được sử dụng để nuôi cấy vi khuẩn phản nitrate hóa là các hợp chất hữu cơ chứa nito, bao gồm peptone, các aminoacid, cao thịt (U.S EPA, 1975) Các vi khuẩn phản nitrate hóa sử dụng nitrate làm chất nhận electron nhưng lại không thể đồng hóa nitơ làm nguồn nitơ để tổng hợp tế bào do không thể khử nitrate thành muối NH4+ (Nguyễn Hoài Hương, 2009), do đo trong nuôi cấy vi khuẩn phản nitrate hóa người ta thường phải bổ sung các hợp chất hữu kể trên vào môi trường để vi khuẩn phản nitrate hóa có thể sử dụng trong quá trình sinh trưởng và tổng hợp sinh khối tế bào

- Nguồn muối khoáng: Gồm các nguyên tố đa, vi lượng như P, K, Mg, S, Ca, Zn, Mo (Nguyễn Lân Dũng và cs, 2000), phần lớn là vi khuẩn dị dưỡng hóa năng nên các

muối vô cơ chứa các nguyên tố đa, vi lượng rất cần thiết cho các vi khuẩn phản nitrate hóa, thành phần các nguyên tố của các muối vô cơ tham gia vào các hoạt tính enzyme của vi khuẩn, giúp duy trì tính ổn định của kết cấu tê bào, điều tiết và duy trì cần bằng

áp suất thẩm thấu của tế bào vi khuẩn Nếu thiếu các muối vô cơ chứa các nguyên tố

đa vi lượng cần thiết cho sự sinh trưởng của vi khuẩn sẽ làm giảm hoạt tính của vi khuẩn phản nitrate hóa, thậm trí ngừng sinh trưởng Do đó việc bổ sung cá nguyên tố

đa, vi lượng trong nuôi cấy vi khuẩn phản nitrate hóa là điều cần thiết và phải có những tỉ lệ được thử nghiệm để tránh tình trạng dý thừa gây ra những tác dụng không mong muốn

2.1.4 Thực trạng nước thải tại trường Đại Học Nông Lâm Thái Nguyên

Trường Đại Học Nông Lâm Thái Nguyên thuộc xã Quyết Thắng – TP Thái Nguyên, là khu vực rộng lớn với tổng diện tích 102,85 ha (TUAF, 2015) Trong khu vực trường có rất nhiều sinh viên, nông dân, sinh sống, nghiên cứu học tập và làm việc trong trường, bên cạnh đó còn có những trang trại chăn nuôi, trồng trọt lớn do đó hằng ngày thường xuyên phát sinh một lượng nước thải lớn, lượng nước thải này thải ra môi trường bên ngoài mà phần lớn trong đó chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa triệt để gây ô nhiễm nguồn nước ở kênh, mương, suối, ao, hồ xung quanh nhà trường ảnh hưởng tới môi trường sinh thái xung quanh, gây ra mùi khó chịu ảnh hưởng tới chính cuộc sống của chính những người đang sinh sống và làm việc trong trường

Để hạn chế vấn đề ô nhiễm nhất là ô nhiễm nguồn nước và để cải thiện cảnh quan nhà trường, lãnh đạo nhà trường cần tuyên truyền hơn nữa cho sinh viên học tập tại nhà trường, cho người dân sinh sống làm việc trong trường không xả rác thải, nhất

là nước thải sinh hoạt ra ngoài môi trường nước, các trang trại chăn nuôi (chại nuôi lợn, nuôi bò ) cần xây dựng nhiều công trình xử lý chất thải xử lý triệt để các tác nhân gây ô nhiễm, các công trình xử lý sinh học thân thiện với môi trường như bể biogas,

hố ủ phân ngoài ra cần kiểm tra lại các công trình xử lý rác thải hiện có triệt để

không ở các các khu tập chung đông người như khu ký túc xá, các phòng thí nghiệm các khu học tập và giải trí trong trường Để hướng tới tạo không gian xung quanh nhà trường Đại Học Nông Lâm Thái Nguyên là ngôi trường xanh, sạch đẹp

Hình 2.4 Nguồn nước ô nhiễm tại suối sau khu ký túc K và ao thủy sản-khoa Chăn Nuôi Thú Y, trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên (Chụp ngày 05/04/2016)

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới

2.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam đã có rất nhiều đề tài, công trình nghiên cứu về các chủng vi khuẩn

có khả năng phản nitrate hóa như Tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội, các sinh viên thuộc bộ môn Hóa sinh và Sinh học phân tử đã tiến hành nghiên cứu và phân lập các vi khuẩn phản nitrate hóa và ứng dụng trong hệ thống xử lý nước thải Một số nghiên cứu của trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Hà Nội đã phân lập và định danh được nhiều loài vi khuẩn có khả năng phản nitrate hóa bằng sinh học phân tử Đó là một tiềm năng lớn hướng tới xây dựng các hệ thống xử lý kỵ khí sinh học trong nước thải và nước tự nhiên bị ô nhiễm Ngoài ra còn một số đề tài nghiên cứu về ảnh hưởng của quá trình về ảnh hưởng của quá trình phản nitrate đến sự phát triển của thực vật, Ảnh hưởng của quá trình phản nitrate trong nuôi trồng thủy sản tuy nhiên các nghiên cứu này chưa được ứng dụng nhiều và đáp ứng nhu cầu thực tiễn

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Vào năm 1882, hai nhà sinh vật học là Gayon và Dupetit là hai người đầu tiên đã thực hiện nghiên cứu về việc chuyển đổi NO3-thành khí N2 trong môi trường nước vào Năm 1882 (Gayon, 1882) khi ông nhận thấy sự suy giảm của hàm lượng nitrate trong

quá trình phân hủy nước thải, ông gọi đó là sự “khử” và ông cũng là người đầu tiên

phân lập được vi khuẩn có khả năng khử nitrate (Gayyon, 1886) Năm 1977 hai nhà vi sinh vật học là Christensen và Harremoes đã nghiên cứu phân lập vi khuẩn phản nitrate hóa trong mẫu nước thải, Christensen và Harremoes tiến hành nhử nghiệm một

số điều kiện ảnh hưởng tới sinh trưởng của các chủng vi khuẩn phản nitrate hóa, theo kết quả nghiên cứu của Christensen quá trình khử nitơ trong nước thải mạnh nhất ở pH

từ 7 đến 8,5, sau quá trình khử sẽ làm kiềm hóa nhẹ môi trường Theo U.S EPA (1975) quá trình khử nito xảy ra mạnh ở pH từ 6,0 đến 8,0 và mạnh nhất ở pH từ 7 đến 7,5 Theo Gabriel Bitton (2005) quá trình khử nitrate có thể xảy ra ở nhiệt độ lên đến

50oC, và nhiệt độ thấp dưới 10oC Ngoài ra đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về sự khử nitrate trong nước và được ứng dụng rất nhiều trong các hệ thống xử lý nước thải

kỵ khí Ngoài vi khuẩn nhà sinh vật học Usuda (1995) còn nghiên cứu và phân lập được một số loài nấm mốc cũng có khả năng khử nitrate