ĐỀ CƯƠNG MÔN HỌC VI SINH MÔI TRƯỜNG1. Giải thích chu trình carbon và vai trò của vi sinh vật trong việc chuyển hóa tinh bột và cellulose?

GIẢI THÍCH CHU TRÌNH CACBONCO2 trong kk TV hấp thu cùng với NLMT và nước thực hiện quá trình quang hợp,một số VSV cũng nhận CO2 thực hiện quá trình hóa tổng hợp tạo ra hợp chất hữu cơ dd cho ĐV ĐV hô hấp thải CO2 vào kk. Khi chúng chết VSV phân giải chúng thành những hợp chất dầu mỏ khai thác và sử dụng trong công nghiệp thải CO2 vào kkTV hô hấp thải CO2 vào kk. Và khi chết sẽ được phân giải tạo nhiên liệu khai thác và sử dụng trong công nghiệp thải CO2 vào kkVSV chết và những sản phẩm thải sẽ được phân giải tạo nhiên liệu khai thác và sử dụng trong công nghiệp thải CO2 vào kkCO2 thải vào kk tiếp tục vòng tuần hoànVAI TRÒ CỦA VSV TRONG CHUYỂN HÓA TINH BỘTTinh bột trong tự nhiênTinh bột là chất dự trữ chủ yếu của thực vật, đặc biệt là cây có củGồm 2 thành phần amylose và amylosepectinCơ chế phân giải tinh bộtVSV phân giải tinh bột nhờ tiết ra hệ enzyme amylase gồm có 4 enzyme

– α – amylase

1

Tác động vào bất kỳ mối liên kết 1,4 glucoside nào trong phân tử tinh bột. Bởi thế α – amylase còn được gọi là endoamylase• Tinh bột được cắt thành nhiều đoạn ngắn gọi là sự dịch hóa tinh bột• Sản phẩm của sụ dịch hóa thường là đường 3 carbon gọi là maltotriose– β – amylaseβ – amylase chỉ có khả năng cắt đứt liên kết 1,4 glucoside ở cuối phân tử tinh bột bởi thế còn gọi là exoamylasesản phẩm của β – amylase thường là đường disaccharide maltose– Amylose 1,6 – glucosidase có khả năng cắt đứt mối liên kết 1,6 glucoside tại

những chổ phân nhánh của amylosepectin– Glucoamylase phân giải tinh bột thành glucose và các oligosacharide. Enzyme

này có khả năng phân cắt cả 2 loại liên kết 1,4 và1,6 glucosideVSV phân giải tinh bột• Vi nấm: Aspergillus, Fusarius, Rhizopus• Vi khuẩn: Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas• Xạ khuẩn

VAI TRÒ CỦA VSV TRONG CHUYỂN HÓA CELLULOSECellulose trong tự nhiên

Là thành phần chủ yếu của màng tế bào thực vậtCellulose được tích lũy nhiều trong đất do các sản phẩm tổng hợp của thực vật thải

ra, cây cối chết và từ các hoạt động của con người nhờ VSV phân giải celluloseCơ chế phân giải cellulose của VSV

Được phân giải nhờ vào hệ enzyme cellulase gồm có 4enzyme khác nhau.

– Enzyme C1 (cellobiose dehydrolase): cắt các liên kết hydro biến cellulose có cấu trúc không gian cellulose vô định hình

– Endoglucanase: cắt các liên kết β - 1,4 – glucoside tạo thành các chuỗi dài– Exoglucanase: cắt các chuỗi thành cellobiose– β - glucosidase: thủy phân cellobiose thành glucose

VSV phân giải celluloseVi nấm: Tricoderma (viride, reesei), Aspergillus,

Fusarium. Mucor• Vi khuẩn : Bacillus subtilis, Clostridium,

Ruminococcus• Xạ khuẩn: Streptomyces

2. Giải thích chu trình nitơ và vai trò của vi sinh vật trong các quá trình chuyển hóa nitơ (các quá trình amon hóa, nitrate hóa, phản nitrate hóa và cố định nitơ)

2

Trong tự nhiên, N tồn tại trong nhiều dạng khác nhau.Trong cơ thể sinh vật N tồn tại ở dạng các phân tử hữu cơ như protein, aa_ Sinh vật chết VSV hoại sinh phân giải aa_ Các aa NH3 hoặc NH4+ vi khuẩn amon hóa_ NH4+ NO3- vi khuẩn nitrate hóa_ NO3- N2 vi khuẩn phản nitrate hóa_ N2 các hợp N hữu cơ vi khuẩn cố định đạm_ Nếu sự hoạt động của 1 nhóm nào đó ngừng lại, toàn bộ sự chuyển hóa của vòng tuần hoàn cũng sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọngQuá trình amon hóaSự amon hóa urêUrea có trong thành phần nước tiểu của người và động vật. Urea chứa tới 46.6% nitrogen, vì thế nó là 1 nguồn dd đạm tốt nhất đối với cây trồngTuy nhiên thực vật không thể đồng hóa trực tiếp urea mà phải qua quá trình amon hóaQuá trình amon hóa urea chia làm 2 giai đoạnGiai đoạn đầu dưới tác dụng của enzyme urea tiết ra bởi các VSV, urea sẽ bị thủy phân tạo thành muối carbonate amoniGiai đoạn 2 carbonate amoni chuyển hóa thành NH3, CO2 và H2OTrong nước tiểu còn có acid uric, tồn tại trong đất một thời gian acid uric sẽ bị phân giải thành ureavà acid tartronic. Sau đó urea tiếp tục bị phân giải thành NH3

Nhóm VSV phân giải urea và acid uric còn có khả năng amon hóa cyanamid calci là 1 loại phân bón hóa học. Chất này sau khi đi vào đất cũng bị chuyển hóa thànhurea rồi sau đó qua quá trình amon hóa được chuyển thành NH3

3

Nhiều loại vi khuẩn có khả năng amon hóa ure chúng đều tiết ra enzym urease. Đa số VSV phân giải ure thuộc nhóm hiếu khí hoặc kị khí không bắt buộc, chúng ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm. Sử dụng ure làm thoáng đất kết hợp vôi, tro Quá trình amon hóa proteinProtein là thành phần quan trọng của tế bàoPrtein chứa tới 15% - 17% nitrogen, nhưng cây trồng không thể hấp thu trực tiếp protein mà phải qua sự phân hủy của VSV. VSV phân giải protein có khả năng tiết ra enzym protease bao gồm cả proteinase và peptidaseCác acid amin bị deamin hoá bởi vi sinh vật nhờ enzyme deaminase, sau đó tạo ra sản phẩm cuối cùng là amôn_ Các acid amin có vòng như tryptophan, khi phân giải sẽ tạo thành các hợp chất có mùi thối như indole và skatole_ Các acid amin chứa S như methionine, cystein, vi sinh vật giải phóng ra H2S, chất này độc đối với cây trồng_ Một số hợp chất amin sinh ra trong quá trình amôn hoá có tác dụng độc đôi với người và động vật. Ví dụ Aladeaminose như histamin, armatin…đó chính là nguyên nhân bị nhiễm độc thức ăn thịt cá thiu thối hoặc thịt hộp để quá lâu (ô nhiễm thực phẩm)

Tỉ lệ C:N trong dất rất quan trọng dối với nhóm vi sinh vật phân huỷ protein_ Nếu như tỉ lệ này quá cao, trong đất quá ít đạm vi sinh vật sẽ tranh chấp thức ăn đạm đối với cây trồng, chúng phân huỷ được bao nhiêu là hấp thu bấy nhiêu._ Nếu tỉ lệ C:N quá thấp, đạm dư thừa, quá trình phân huỷ sẽ chậm lại, cây trồng không có đạm khoáng để hấp thu ._ Tỉ lệ C:N bằng 20 là thích hợp nhất cho quá trình amôn hoá protein, có lợi nhất đối với cây trồng.Nhiều VSV có khả năng amon hoá protein : vk, vi nấm, xạ khuẩnQuá trình nitrate hóa Sau quá trình amon hóa NH3, một phần phản ứng với các anion trong đất tạo thành các muối amon. Một phần muối amon cũng được cây trồng hấp thụ, phần còn lại được oxi hóa thành nitrate gọi là quá trình nitrate hóaNhóm VSV thực hiện quá trình này gọi chung là vi khuẩn nitrate hóa bao gồm 2 nhóm tiến hành qua 2 giai đoạnLà quá trình oxi hóa NH4

+ thành NO2-

NH4+ +3/2O2 NO2

- + H2O + 2H + QNhóm vk nitrate hóa gồm 4 chi khác nhau nitrosomonas, nitrosocystis, notrosolobus và notrosospiraLà quá trình oxi hóa NO2

- thành NO3-

NO2- + ½ O2 NO3- + Q_ Nhóm vi khuẩn tiến hành oxy hoá NO2- thành NO3- bao gồm 3 chi khác nhau: Nitrobacter, Nitrospira và NitrococcusQuá trình nitrate hóa là 1 khâu quan trong trong vòng tuần hoàn nitrogen nhưng đối với nông nghiệp nó co nhiều bất lợiQuá trình phản nitrate hóa

4

Là quá trình các hợp chất đạm dạng nitrate ở trong đất rất dễ bị khử biến thành nitrogne phân tửPhản ứng khử NO3- thành N2 chỉ xảy ra trong điều kiện kị khí_ Nhóm vi sinh vật thực hiện quá trình phản nitrate hoá phân bố rộng rãi trong đất. Thuộc nhóm tự dưỡng hoá năng có Thiobacillus denitrificans, Hydrogenomonasagilis… Thuộc nhóm dị dưỡng có Pseudomonas denitrificans, Micrococcus denitrificanas, Bacillus licheniformis…_ đối với nông nghiệp quá trình phản nitrate hoá là một quá trình bất lợi vì nó làm cho đất mất đạmQuá trình cố định nitrogenQuá trình cố định nitơ sinh học là một quá trình khử N2 thành NH3 dưới tác dụng của men nitrogenase sinh ra bởi vi sinh vạt.

NH3 được hình thành đến một mức độ nào đó sẽ kìm hãm sự hoạt động của nitrogenase, nó chính là yếu tố điều hoà hoạt tính của enzyme.Tại nốt sần, vi khuẩn tiến hành quá trình cố định nitơ, sản phẩm cố định được 1 phần sử dụng cho vi khuẩn, 1 phần sử dụng cho cây_ RhizobiumVi khuẩn nốt sần thuộc loại vk hiếu khí, ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm, thích hợp với nhiệt độ 28 – 30 0C, độ ẩm 60- 80%._ Chúng có khả năng đồng hoá các nguồn carbon khác nhau như các loại đường đơn,đường kép, acid hữu cơ,glycerin v.v..._ Trong đất có hai họ vi khuẩn chủ yếu: Azotobacter, ClostridiumAzotobacter trong môi trường nhân tạo có đặc tính đahình:_ Khi còn non chúng có dạng trực khuẩn hình que, có tiên mao, có khả năng di động._ Khi già Azotobacter mất khả năng di động, tế bào chuyển thành dạng hình cầu, xung quanh được bao bọc bởi một lớp vỏ nhày_ Clostridium là một loại vi khuẩn kị khí sống tự do trong đất có khả năng hình thành bào tử. loài phổ biến nhất trong đất là Clostridium pasteurianum_ Khi còn non có khả năng di động bởi tiên mao._ Khi già mất khả năng di động. Khi hình thành bào tử thường có hình con thoi do bào tử hình thành lớn hơn kích thước tế bào.

5

3. Bùn hoạt tính và vai trò của các vi sinh vật hiện diện trong bùn hoạt tính?Phương pháp bùn hoạt tính

• Là quá trình xử lý sinh học hiếu khí, trong đó vi sinh vật với mật độ cao mới được tạo thành được trộn đều với nước thải trong bể hiếu khí

• Bùn hoạt tính gồm những sinh vật sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng bông với trung tâm là các chất rắn lơ lửng

• Bùn hiếu khí ở dạng bông bùn vàng nâu, dễ lắng là hệ keo vô định hình còn bùn kỵ khí ở dạng bông hoặc dạng hạt màu đen

• Những sinh vật sống trong bùn là vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh và động vật khác

Những sinh vật sống trong bùn• vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào• nấm men, • nấm mốc, • xạ khuẩn, • các động vật nguyên sinh • và động vật khác

Vai trò cơ bản của quá trình làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi khuẩn• Gồm các nhóm:

1. Alcaligenes Chúng có khả năng phân giải urea, tạo ra NH3 làm cho pH môi trường tăng

• A. eutrophos có khả năng loại bỏ đến 99% Cadmium trong môi trường và có thể xử lý một số kim loại nặng như arsen, chrom, thủy ngân …

• A. feacalis là chủng vi khuẩn phản nitrate có khả năng khử nitrate thành N2O• Một số chủng Alcaligenes có khả năng phân giải O - nitrobenzaldehyde• Alcaligenes sp. có khả năng khử phenol trong nước thải đến 99% và làm giảm

40% COD trong nước thải.

2. Achromobacter • Có khả năng phân hủy pyridine và các hợp chất nitrogen khác vòng (NHC)• Có khả năng phân hủy và khử độc đối với endosulfan trong đất• Achromobacter có thể được phân lập từ đất nhiễm pentachlorophenol và xử lý

được một số hợp chất của phenol• Có thể chuyển hóa một số kim loại nặng trong đất, xỉ như chrom• Có khả năng khử màu của malachite green và phân hủy methylhydrazine trong

nước thải

3. Pseudomonas• P.stutzeri có khả năng loại nitơ từ NO3- giải phóng N2. • P.stutzeri có thể phân hủy maltose và tinh bột nhưng không phân hủy gelatin. • Là vi khuẩn hiếu khí, phân bố rộng rãi trong các vùng địa lý nhưng được tìm thấy

chủ yếu trong đất và nước.

6

• Chúng có khả năng chuyển hóa, làm giảm các chất độc cho môi trường và các hợp chất có trọng lượng phân tử cao như polyethylene glycols.

• Một vài dòng có thể chuyển hóa các hợp chất thơm như naphthalene và mathylnapthalenes Hai hợp chất thơm này hiện diện nhiều trong dầu thô, là chất có tiềm năng gây độc.

• Có khả năng là giảm nitrate chuyển khí N2. • Có thể ứng dụng vào xử lý môi trường nước vì có khả năng khử đạm mạnh trong

nước thải ao cá tra ở Đồng Bằng Sông Cửu Long và ứng dụng nó vào xử lý nước thải vì nó khả năng khử nguồn đạm trong nước để giảm thiểu ô nhiễm

4. Athrobacter• A. crystallopoites có khả năng khử các phân tử chrom hóa trị 6 trong đất• A. chlorophenolicus có khả năng phân hủy 4 – chlorophenol ở nồng độ cao và

chúng cũng có thể phân hủy được các hợp chất thơm bao gồm các hợp chất đồng vòng như hydroxybenzoate cũng như các hợp chất khác vòng như pyridine và pycoline

• Arthrobacter sp. H65-7 sản xuất ra enzyme inulase II để chuyển hóa inulin thành difructose anhydride

5. Flavobacterium • Có khả năng xử lý nylon – là một sản phẩm do con người tạo ra do sản xuất

enzyme nylonase• Flavobacterium haoranii có khả năng phân hủy cypermethrin – một loại thuốc diệt

côn trùng, gây ảnh hưởng đến hệ thần kinh

6. Citromonas7. ZoogleaCó khả năng sinh ra bao nhầy xung quanh tế bào có tác dụng gắn các tế bào vi khuẩn, các hạt lơ lửng khó lắng, các chất màu, chất gây mùi à hạt bông cặn

4. Mô tả các giai đoạn xử lý nước thải của bùn hoạt tínhQuá trình xử lý nước thải của bùn hoạt tínhXảy ra gồm 3 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Bùn hoạt tính hình thành và phát triển• Giai đoạn 2: Sự phát triển ổn định của VSV• Giai đoạn 3: Kết thúc quá trình làm việc của aerotankGiai đoạn 1: Bùn hoạt tính hình thành và phát triển. Lúc này, cơ chất và chất dinh

dưỡng đang rất phong phú, sinh khối bùn còn ít. Theo thời gian, quá trình thích nghi của vi sinh vật tăng, chúng sinh trưởng rất mạnh theo cấp số nhân, sinh khối bùn tăng mạnh. Vì vậy, lượng oxy tiêu thụ tăng dần vào cuối giai ñoạn này rất cao. Tốc độ tiêu thụ oxy

7

vào cuối giai đoạn này có khi gấp 3 lần ở giai đoạn 2. Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ tăng dần.

Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định, hoạt lực enzym đạt Max và kéo dài trong thời gian tiếp theo. Tốc độ phân hủy chất hữu cơ đạt Max, các chất hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất. Tốc độ tiêu thụ oxy gần như không thay đổi sau một thời gian khá dài.

Giai đoạn 3: Tốc độ tiêu thụ oxy có chiều hướng giảm dần và sau đó lại tăng lên. Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ giảm dần và quá trình Nitrat hóa amoniac xảy ra. Sau cùng, nhu cầu tiêu thụ oxy lại giảm và quá trình làm việc của Aerotank kết thúc.

5. Phương pháp lọc sinh học và kết cấu của vi sinh vật trong màng sinh họcPhương pháp lọc sinh học

• Thiết bị lọc sinh học là thiết bị được bố trí đệm và cơ cấu phân phối nước cũng như không khí.

• Trong thiết bị lọc sinh học, nước thải được lọc qua lớp vật liệu bao phủ bởi màng vi sinh vật.

• Các vi khuẩn trong màng sinh học thường có hoạt tính cao hơn vi khuẩn trong bùn hoạt tính. Màng sinh học hiếu khí là một hệ vi sinh vật kỵ khí tùy nghi.

• Màng sinh vật là phương pháp lợi dụng quần thể VSV dính vào bề mặt chất rắn để hình thành nên màng sinh vật

• Có kết cấu xốp, nhiều lỗ nhỏ, diện tích bề mặt lớn à có tác dụng hấp phụ rất mạnh• Khi màng sinh vật dày thêm, những lớp màng già cỗi bị bóc ra và thay thế màng

mới.Kết cấu vi sinh vật

• Lớp bên ngoài là lớp vi khuẩn hiếu khí như trực khuẩn Bacillus• Lớp giữa là vi khuẩn kỵ khí tùy nghi như Alcaligenes, Pseudomonas,

Flavobacterium, Micrococus và cả Bacillus.• Lớp sâu bên trong màng là các vi khuẩn kỵ khí khử S và nitrate như Desulfovibrio• Lớp cuối cùng của màng là động vật nguyên sinh và một số sinh vật khác.

8

6. Nêu cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý kỵ khíCơ sở lý thuyết của xử lý kỵ khí

• Khi bùn hoạt tính được duy trì trong môi trường kỵ khí à VSV sử dụng nguồn bùn dư để thực hiện quá trình lên men

• Sản phẩm của quá trình lên men là methane và CO2. Quá trình tạo thành methane và CO2 gồm có 4 giai đoạn:

– Thủy phân– Acid hóa– Acetate hóa– Methane hóa

Giai đoạn 1: Thủy phân- Các đại phân tử như protein, chất béo, polysaccharide được phân giải thành các

tiểu đơn vị- Do vi sinh vật sản xuất ra các enzyme ngoại bào- Đây là một quá trình xảy ra chậm và bị giới hạn bởi quá trình phân hủy kỵ khí

Giai đoạn 2: Acid hóa- Đây là quá trình chuyển hóa các sản phẩm của quá trình thủy phân tạo thành các

phân tử có trọng lượng phân tử thấp như acid béo bay hơi, alcohol, aldehyde và các khí như CO2, H2 và NH3

- Giai đoạn này bị ảnh hưởng bởi các chủng vi khuẩn, chủ yếu là vi khuẩn kỵ khí bắt buộc.

- Vi khuẩn phân giải các chất hữu cơ và tạo ra môi trường pH thấp (khoảng 4)Giai đoạn 3: Acetate hóa

- Sản phẩm của giai đoạn acid hóa được chuyển đổi thành acid acetic, H2 và CO2.- Trong quá trình phân hủy kỵ khí, ba giai đoạn này tập hợp lại gọi là sự lên men

acid à chuyển các vật chất hữu cơ thành các cơ chất thích hợp cung cấp cho quá trình methane hóa

Giai đoạn 4: Methane hóa- Sản phẩm của quá trình lên men acid (chủ yếu là acid acetic) được chuyển thành

CO2 và CH4- Quá trình này giải phóng năng lượng và năng lượng được sử dụng để giúp cho vi

sinh vật kỵ khí tăng trưởng về mặt số lượng- Để duy trì bùn hoạt tính hoạt động ở mức độ cao nhất à cần phải duy trì các điều

kiện môi trường thích hợp vì vi khuẩn methane hóa rất nhạy cảm với các điều kiện môi trường

- Bao gồm các điều kiện: nhiệt độ, pH, không có chất độc và đầy đủ các thành phần dinh dưỡng

7. Nêu các phương pháp khống chế vi sinh vật trong nước thải?Kỹ thuật khống chế vi sinh vật trong nước thải

Khử trùng bằng hóa chất Do trong nước thải tồn tại rất nhiều vi sinh vật gây bệnh à phải tiến hành khử

trùng trước thải vào môi trường

9

Mặc dù trong quá trình xử lý đã tiêu diệt phần lớn các vi sinh vật gây bệnh (90 – 95%) nhưng một số lượng lớn vẫn còn

1. Khử trùng bằng ChlorCơ chế Khi trong nước không có NH3- Xảy ra phản ứng

- HOCl là chất trung tính khuếch tán vào tế bào vi khuẩn phá hủy cấu trúc của các enzyme tiêu diệt VSV

- OCl- mang điện tích âm khó xâm nhập vào tế bào vi khuẩn pH trong nước càng thấp HOCl càng nhiều hiệu quả khử trùng càng tốt Khi trong nước có NH3- Xảy ra phản ứng

- Khi pH = 5 – 8,5, NH2Cl và NHCl2 cùng tồn tại nhưng khi pH thấp chỉ có NHCl2 tăng khả năng khử trùng

2. Khử trùng bằng ClO2Là một thể khí màu xanh, điểm sôi 110C, ngưng kết ở - 590C, thể lỏng và thể khí đều không ổn định, nồng độ trong không khí là 10% có thể gây nổƯu điểm:

a. pH: càng kiềm thì khả năng diệt khuẩn càng mạnhb. Nhiệt độ: càng cao à diệt khuẩn càng tốtc. Tăng hiệu quả khi kết hợp với ozoned. Có khả năng diệt tảo và không sinh ra các chất gây ung thư

Nhược điểm: Khi cho ClO2 vào nước à 50 – 70% biến thành ClO2 và ClO3e. gây hại đến hồng cầuf. Cản trở sự hấp thu Iod cholesterol tăng lên

3. Khử trùng bằng khí ozoneNguyên lý khử trùng Là chất đồng chất dị hình của oxy, có khả năng oxy hóa rất mạnh

10

Có năng lượng rất cao à không ổn định à tự phân giải thành O2 và O O có hoạt tính mạnh à có khả năng oxy hóa mạnh đối với vi khuẩn, virus O3 có khả năng phân giải enzyme glucosidase, phá vỡ DNA, RNA, protein, lipid,

polysaccharide, làm rối loạn quá trình trao đổi chấtƯu điểm Có khả năng diệt khuẩn mạnh, tác dụng nhanh, Không gây phản ứng phụ, không sinh các chất gây ung thư Ozone được sản xuất từ không khí nên không cần phải tốn chi phí tồn trữ nguyên

vật liệu Có khả năng tiêu diệt hầu hết các vi sinh vật gây bệnh trong thời gian ngắnNhược điểm Ozone là khí dễ phân giải, thời gian tiếp xúc ngắn à phải xử lý nhanh. Là một loại khí độc, có thể gây kích thích mũi và ảnh hưởng đến sức khỏe Chi phí cao do máy phát sinh ozone cần những kim loại quý, thiết bị phức tạp Chi phí vận hành cao

Khử trùng bằng tia cực tímNguyên lý

Gây đột biến acid nucleic à ngăn cản quá trình tái bản, sao mã à ức chế quá trình tổng hợp protein

Sản sinh ra các gốc tự do à oxy hóa à gây chết tế bàoCác yếu tố ảnh hưởng

Đèn cực tím: thời gian sử dụng càng lâu à cường độ bức xạ giảm xuống. Đèn cực tím của TQ dùng 3000 giờ, các nước khác là 7500 – 8000 giờ

Các yếu tố ảnh hưởng Chất rắn lơ lửng: có thể hấp thu và ảnh hưởng đến tia tử ngoại à giảm lượng tia

chiếu Độ xuyên sâu của tia cực tím: phụ thuộc vào độ dày của tầng nước Loại và số lượng vi sinh vật: tia UV có thể tiêu diệt được vi khuẩn, virus, nấm, bào

tử nhưng các vi sinh vật khác nhau có tính nhạy cảm khác nhau

11

Tốc độ dòng chảy: ảnh hưởng đến việc khử trùng của đèn cực tím Ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài: nhiệt độ, độ ẩm

8. Nêu các quá trình sinh hóa chuyển hóa các hợp chất xenobiotic của vi sinh vậtChuyển hóa xenobiotic trong cơ thể

Các quá trình sinh hóa chuyển hóa xenobiotic Xenobiotic chứa rất nhiều nhóm chức năng và những nhóm ít gặp trong tự nhiên Quá trình chuyển hóa xenobiotic được thực hiện qua 4 giai đoạn

XENOBIOTIC

Hệ tuần hoàn

Hấp thu

Các Tổ chức Gan Cơ quan bài tiết

Phân bố Chuyển hóa

Tác dụng lên các cơ quan

Độc tính Hiệu quả điều trị

Thải trừ

12

› Thủy phânCác enzyme hydrolase thủy phân các liên kết amide và ester của các hợp

chất như aniline, phenyl – urea, carbamic và các acid khác.Các hydrolase cũng chịu trách nhiệm cắt các liên kết của thuốc trừ sâuLà một enzyme ngoại bào được kích thích tạo thành khi nồng độ cơ chất

cao.

› Khử nhóm halogenNhiều xenobiotic chứa các hợp chất của halogen à khử halogen là một bước

quan trọng trong quá trình chuyển hóa xenobioticMặc dù cơ chế chưa rõ ràng nhưng quá trình khử halogen nhưng gồm có 3 giai

đoạn: thủy phân, khử, oxy hóaVà quá trình này được thực hiện bởi một số enzyme:

o Haloacetate – halidohydrolase: cắt halogen từ halide acetate thành glycolic acid

o Hydrolase: cắt các liên kết trong dichloroacetateo 2-haloacid halidohydrolase

› Quá trình oxy hóa

Đây là một giai đoạn quan trọng nhất vì giai đoạn này oxy hóa các sản phẩm của quá trình thủy phân và halogen hóa

Các phản ứng oxy hóa bao gồm: cắt đứt vòng thơm, loại bỏ các nhóm alkyl và các nhóm epoxi

› Quá trình khửGiai đoạn này xảy ra trong điều kiện kỵ khíTrong quá trình này có sự loại bỏ các nhóm nitro bởi enzyme nitroreductase

Vai trò của VSV trong chuyển hóa xenobiotic Sự chuyển hóa xenobiotic có sự tham gia của vi khuẩn hiếu khí lẫn vi khuẩn kỵ

khí Vi khuẩn hiếu khí: Pseudomonas, Escherichia, Sphingobium, Pandoraea,

Rhodococcus, Gordonia, Bacillus, Moraxella, Micrococcus Vi khuẩn kỵ khí: Pelatomaculum, Desulfotomaculum, Syntrophobacter,

Syntrophus, Desulphovibrio, Methanospirillum, MethanosaetaQuá trình phân hủy xenobiotic của vi sinh vật gồm có 3 bước cơ bản:

Sự làm giảm sinh học (bioattenuation): Kiểm tra các quá trình xảy ra trong tự nhiên à làm giảm thời gian phân hủy mẫu

Sự kích thích sinh học (biostimulation): kích thích chủ động vào các vi khuẩn phân hủy xenobiotic bằng các chất nhận điện tử, nước, chất dinh dưỡng …

Sự tăng cường sinh học (bioaugmentation): bổ sung các vi khuẩn trong phòng thí nghiệm tăng khả năng phân hủy

13

Các quá trình sinh hóa Dựa vào điều kiện hiếu khí và kỵ khí Vi khuẩn hiếu khí: phân giải PCB Vi khuẩn kỵ khí: phân giải các methanogen, các hợp chất nhân tạo

9. Nêu các biện pháp kiểm tra và giám sát mật độ vi sinh vật trong môi trường Kỹ thuật kiểm tra vi sinh vật ở mức phân tử

Kỹ thuật PCR Nguyên tắc

Dựa trên sự khuếch đại một trình tự gene đíchNguyên lý của real-time PCR

Real-time PCR là một phương pháp pcr mới. nó kiểm soát lượng huỳnh quang giải phóng ra trong phản ứng từ đó có thể biết được lượng sản phẩm PCR trong từng thời điểm (chu kỳ) của quá trình khuếch đại, trái ngược vơí

14

PCR truyền thống chỉ biết được lượng sản phẩm được khuếch đại ở thời điểm cuối cùng của phản ứng khuếch đại

Kỹ thuật kiểm tra enzyme vi sinh vậtKỹ thuật kiểm tra enzyme ELISA

Dựa trên nguyên tắc kháng thể - kháng nguyên

Kỹ thuật kiểm tra vi sinh vật ở mức tế bào Kỹ thuật kiểm tra vi sinh vật phát quangNguyên tắc:Dựa vào sự phát hiện ATP thông qua enzyme luciferase à sự phát sángƯu điểm

- Phát hiện nhanh- Nhạy vì có thể phát hiện 1 pg ATP tương ứng với 1000 tế bào vi khuẩn

Nhược điểmDễ bị dương tính giảChi phí cao

Kỹ thuật kiểm tra vi khuẩn đánh giá chất lượng nướcKỹ thuật MPN

- Viết tắt: Most Probably Number- Dựa trên nguyên tắc pha loãng tới hạn

Nguyên tắcMẫu được pha thành một dãy thập phân liên tiếp và mẫu được đưa vào môi

trường thích hợpỦ và đọc số ống dương tínhTra bảng Mac – crady à tính toán số lượng

Kỹ thuật màng lọc- Sử dụng để định lượng VSV trong các mẫu lỏng như nước sinh hoạt, nước thải,

sữa …- Sử dụng màng lọc vô trùng có kích thước nhỏ (0,27 mm và 0,45 mm)

Các chỉ tiêu phân tích- Coliforms tổng số- E.Coli- Enterobacteria

Và tùy theo các chỉ tiêu phân tích mà ta sử dụng các loại môi trường thích hợp

10. Công nghệ vi sinh vật hiện đại bảo vệ môi trường và phát triển bền vứngCông nghệ gene và bảo vệ môi trường

15

Ứng dụng công nghệ chuyển gene để tạo các biosensorBiosensor Một số hợp chất được sử dụng để phát hiện sự ô nhiễm trong nguồn nước

Cytochrome P450A carbohydrate thơm và dioxin Methallothionine kim loại

Chỉ thích hợp nước thải có mức độ ô nhiễm lớn sử dụng các cảm biến sinh học Sử dụng các gene mã hóa cho GFP gắn vào các promoter đáp ứng nước thải Các promoter đó bao gồm: Gene mã hóa cho protein shock nhiệt hoặc methallothionein stress, kim loại

nặng, độc tố hóa học Gene chứa các yếu tố đáp ứng với estrogen Gene chỉ thị khối u carcinogene

Công nghệ tế bào và bảo vệ môi trường Là công nghệ nuôi tế bào trong môi trường nhân tạo à thay đổi theo ý muốn con

người nhằm mục đích tạo ra chế phẩm và thành phần sinh vật sản xuất, cải tạo giống hoặc tạo giống mới.

Sử dụng công nghệ tế bào kết hợp công nghệ gene à một loạt giống cây trồng mới có sản lượng cao, chất lượng tốt, kháng bệnh, tạo các chế phẩm thuốc trừ sâu sinh học.

Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngCác enzyme oxidoreductase

Các enzyme peroxidase phân lớp EC 1.11Catalase

Xúc tác phản ứng phân hủy đặc hiệu H2O2

16

Ngoài ra, catalase còn có thể phân hủy formaldehyde, acid formic và alcohol Đây là những chất độc hại đối với môi trường được thải ra từ các nhà máy chế

biến sữa, phomat hoặc các nhà máy dệt, sợi Cùng với các enzyme peroxidase, manganese peroxidase à phát hiện một số kim

loại như Hg+2, Pb+2, Cd+2, Cr+6, Mn+2HRP (Horseradish peroxidase)

Có thể xúc tác phản ứng oxy hóa phổ rộng gồm: các hợp chất thơm độc: biphenol, aniline, benzidine các hợp chất thơm dị vòng như hydroxyquinoline và arylamine carcinogen như benzidine và naphthylamine

Sản phẩm à polymer hóa à kết tủa à loại bỏ qua quá trình lắng đọng hoặc lọc Phù hợp với xử lý nước thải vì không bị biến tính ở phổ rộng pH và nhiệt độ

Các enzyme oxidase thuộc phân lớp EC 1.1 Một số enzyme phân lớp khác: polyphenol oxidaseLignin là một polysaccharide của thành tế bào thực vật, là một polymer có rất nhiều vòng thơm à không ưa nước à rất khó phân hủyVề cấu tạo, lignin gồm các mạch phenylpropanoid phức tạp không đồng nhất à việc phân hủy sinh học lignin cần phải có hệ enzyme oxy hóa mạnhHai enzyme có hoạt tính mạnh có khả năng phân giải lignin là

Ligninase (lignin peroxidase) Manganese peroxidase

Manganese peroxidase Thực hiện phản ứng oxy hóa nhưng phụ thuộc vào sự có mặt của Mg2+ và đệm Thực tế, MnP xúc tác phản ứng oxy hóa khử Mn(II) thành Mn(III) à phức hợp

Mn(III)Lignin peroxidase

Là một enzyme ngoại bào có ở nấm mốc Phanerochaete chrysosporium Có khả năng gây khoáng hóa một số hợp chất vòng thơm khó xử lý và oxy hóa

một lượng lớn các hợp chất phenol và hợp chất thơm đa vòng Ứng dụng để xử lý rác thải nguy hiểm, khó phân hủy

Các enzyme oxidaseL – galactonolactone oxidase

Là enzyme xúc tác phản ứng đặc hiệu là phản ứng oxy hóa L-galactono-1,4-lactone thành L-ascorbate

HH22OO22 + H O + H O 2H 2H22OO + + OO22

H OH O

Cơ chCơ chấấtt Ch Chấất chot cho Cơ ch Cơ chấất bị khử Cht bị khử Chấất cho bị oxy hóa t cho bị oxy hóa

bbịị kh khửử b bịị oxy hóa oxy hóa

17

L-galactonolactone oxidase từ nấm men Candida norvegensis có thể được dùng để biến galactose từ quá trình thuỷ phân lactose trong dịch sữa chua thành axit L-ascorbic.

Enzyme này đã được thử nghiệm xử lý nước thải của nhà máy chế biến sữa. Một số enzyme phân lớp khácTyrosinase

Còn gọi là polyphenol oxydase, phenolase hay catecholase xúc tác cho hai phản ứng liên tiếp:

phản ứng thứ nhất là phản ứng thuỷ phân monophenol nhờ oxy phân tử thành các o-diphenol

phản ứng thứ hai là phản ứng dehydrogen hoá các o-diphenol nhờ oxy thành các o-quinon.

Các quinon thường không bền à bị polymer hóa thành các hợp chất không tan và dễ dàng bị loại bỏ

Được cố định trên chitosan để xử lý nước thải phenol (loại bỏ 100% phenol) Việc cố định tyrosinase có ưu điểm trong việc giữ lại được các enzyme trong bản

thể phản ứng và bảo vệ chúng không bị mất hoạt tính khi thực hiện các phản ứng với quinon.

Tyrosinase được cố định vẫn giữ được hoạt tính sau 10 ngày.Laccase

Là một enzyme kim loại xúc tác cho phản ứng oxy hóa hydroquinone thành benzoquinone

Trung tâm hoạt động của enzyme này có ion Cu2+ tham gia Dùng laccase cố định trên chất mang à xử lý thuốc nhuộm anthraquinonic à làm

giảm 80% độ độcCác enzyme hydrolase

Các enzyme thủy phân amylose Các enzyme thủy phân cellulose Các enzyme thủy phân pectin Các enzyme thủy phân protein Các enzyme phá hủy hợp chất chứa halogen

Các enzyme thủy phân amylose Nhờ vào hệ enzyme amylase gồm 4 enzyme là a - amylase, b - amylase, amylose

1,6 – glucosidse, glucoamylase Có ý nghĩa quan trọng trong việc phân hủy phế thải chứa các nguồn tinh bột từ các

làng nghề làm bún, bánh đa, bánh cuốn, chế biến nông sản ngô, khoai, sắn

Các enzyme thủy phân cellulose Được phân giải nhờ vào hệ enzyme cellulase gồm có 4 enzyme: Enzyme C1

(cellobiose dehydrolase), endoglucanase, exoglucanase và b - glucosidase Ứng dụng để xử lý chất thải từ các nhà máy giấy à thu được ethanol

Các enzyme thủy phân pectin

18

Pectin là heterosaccharide của thành tế bào thực vật, có cấu tạo mạch dài tạo nên bởi các đơn vị monosaccharide, gồm các liên kết (1,4)-α-D-galacturonic acid và các methyl ester

Là thành phần rất khó phân hủy. Dựa vào nấm mốc A. japonicus người ta đã tách được enzyme pectinase và pectinesterase có khả năng phân hủy pectin

Các enzyme phá hủy hợp chất chứa halogen Chia làm 2 loại: haloalkane dehalogenase và haloacid dehalogenase Atrazine là một chất độc diệt cỏ hầu như hoàn toàn không tan trong nước (33

mg/lít), nhưng nồng độ cho phép trong nước là 0,2 mg/lít. Pseudomonas sp. strain ADP có khả năng chuyển hoá atrazine do tiết ra Atrazine

chlorohydrolase xúc tác phản ứng chuyển hoá atrazine biến atrazine độc, không tan thành các sản phẩm tan được và không độc.

Các lớp enzyme khác Enzyme tham gia vào quá trình khử kim loại nặng – As Enzyme tham gia xử lý các chất có hoạt tính bề mặt Enzyne xử lý chất thải cyanur, cyanid hydratase

Enzyme khử kim loại nặng – Arsen Con người tiếp xúc với arsen thông qua không khí, thức ăn và nước uống. Lượng

arsen đi vào cơ thể hẳng ngày khoảng 20 – 300 μg với 25% là arsen vô cơ, còn lại là hữu cơ

Các dạng arsen hữu cơ như arsenocholin, arsenobetain tương đối không độc còn các dạng arsen vô cơ lại rất độc

Nguyên tắc của việc xử lý: chuyển hóa arsenite (hóa trị III) thành arsenate (hóa trị V) hoặc chuyển dạng arsen vô cơ thành dạng hữu cơ

Enzyme arsenate reductase (còn gọi là arsenite oxidase) từ chủng Alcaligenes faecalis, xúc tác cho phản ứng chuyển hoá Arsenite (hoá trị III) rất độc thành Arsenate (hoá trị V) ít độc hơn [36],

Arsenate reductase (donor) (còn gọi là glutaredoxin), từ chủng Chrysiogenes arsenatis xúc tác phản ứng chuyển hoá arsenite

Enzyme xử lý các chất có hoạt tính bề mặt Là các chất hữu cơ có tính phân cực mạnh và là thành phần cơ bản của chất tẩy

rửa Alkylsulfatase từ Pseudomonas putida hoặc từ Pseudomonas aeruginosa có thể

làm giảm hiệu suất các chất có hoạt tính bề mặt. Enzyme này đặc hiệu với các gốc alkyl sulfate, và có thể phá huỷ hoàn toàn gốc alkyl sulfate, alkyl ethoxy sulfate hoặc aryl sulfonate trong các chất có hoạt tính bề mặt.

Tuy nhiên, trên thực tế, enzyme này không thể phân hủy alkane sulfonate. Nói chung, alkylsulfatase hứa hẹn một ứng dụng trong tương lai về việc xử lý một phạm vi rộng các chất có hoạt tính bề mặt có trong nước thải.

Enzyme xử lý cyanur - cyanide hydratase

19

Cyanur là sản phẩm trung gian của các quá trình tổng hợp tơ sợi, cao su, dược liệu, quặng mỏ, mạ kim

Một số loài thực vật, VSV có khả năng sinh ra cyanur Cyanur ức chế quá trình trao đổi chất à gây chết người và sinh vật khác Cyanide hydratase hoặc formamide hydrolyase là một enzyme có khả năng

chuyển hoá cyanide trong nước thải công nghiệp thành amoniac và formate thông qua một bước phản ứng

Cyanide hydratase được phân lập từ một vài loại nấm và được tạo ra từ nấm khi nồng độ cyanur thấp

Enzyme xử lý cyanur - cyanide hydratase Một số vi khuẩn gram âm có khả năng sản xuất ra enzyme cyanidase có ái lực, độ

bền cao, có khả năng loại bỏ cyanur ở nồng độ rất thấp Hoạt tính của cyanidase không bị ảnh hưởng bởi các ion thông thường có mặt

trong nước thải (ví dụ như Fe2+, Zn2+ và Ni2+), hay bởi các chất hữu cơ như acatat, formamide, acetamide và acetonitrile.

pH tối ưu trong khoảng 7.8-8.3 và mất hoạt tính hoàn toàn, không phục hồi khi pH cao hơn 8.3

Công nghệ lên men và bảo vệ môi trường Công nghệ lên men đã có lịch sử lâu đời và thu được nhiều thành tựu đáng kể Công nghệ lên men được ứng dụng để sản xuất các chế phẩm vi sinh ứng dụng

trong xử lý môi trường Bao gồm các công nghệ như lên men chìm, lên men bán rắn …

Công nghệ sản xuất sạch Sản xuất sạch là công nghệ sản xuất giảm thấp tiêu hao vật liệu và năng lượng

nhằm ngăn chặn có hiệu quả vật ô nhiễm và phế thải Công nghệ sản xuất sạch là một chuyển biến của kỹ thuật sản xuất khống chế ô

nhiễm công nghiệp Công nghệ sản xuất sạch bao gồm nhiều lĩnh vực như khai thác mỏ, luyện kim

bằng vi sinh vật, khai thác dầu mỏ bằng vi sinh vật, sản xuất hóa chất bằng vi sinh vật.

Vi sinh vật thân thiện với môi trường Chất ngưng kết vi sinh vật Phân bón vi sinh Thuốc trừ sâu sinh học

Chất ngưng kết vi sinh vật Là một chất xử lý nước thải mới, hiệu quả cao, không độc, không gây ô nhiễm trở

lại, không chỉ ngưng kết nhanh mà còn làm mất màu nước thải, đặc biệt có hiệu quả đối với chất thải có nồng độ cao

Chất ngưng kết VSV là một loại quan trọng của chất ngưng kết cao phân tử sinh vật thiên nhiên do có nhiều VSV sinh trưởng nhanh, dễ sản xuất công nghiệp,

Đặc trưng của chất ngưng kết vi sinh vật Tính năng phân giải nhanh Không độc, không có hại

20

Không gây hiện tượng ô nhiễm lần sau Ứng dụng rộng rãi trong thực tế Làm mất màu nhanh Giá thành thấp

Phân bón vi sinh Là chế phẩm đặc hiệu của vi sinh vật sống có hiệu quả làm phân bón. Trong quá

trình sống, chúng sẽ tăng cường cung cấp dinh dưỡng Phân vi sinh gồm nhiều loại như vi khuẩn cố định đạm, vi khuẩn nốt sần cây họ

Đậu Phân vi sinh vật có nhiều ưu điểm như độ phì tốt, hiệu quả lâu, không độc hại,

không có tác dụng phụ, không gây ô nhiễm môi trường, giá thành thấp.Thuốc trừ sâu sinh học

Thuốc trừ sâu vi khuẩn Thuốc trừ sâu virus Thuốc trừ sâu bằng nấm Thuốc diệt cỏ vi sinh vật Chất hoạt tính bề mặt vi sinh vật

Thuốc trừ sâu vi khuẩn Chế phẩm thuốc trừ sâu vi khuẩn được sử dụng nhiều nhất là Bt (Bacillus

thuringensis) Sâu bệnh có khả năng kháng rất chậm, sau 25 lứa sẽ có 1 lứa kháng thuốc à thay

thuốc hoặc tăng nồng độ Có thể sử dụng kết hợp với thuốc hóa học

Thuốc trừ sâu virus Hai loài virus được sử dụng làm chế phẩm là NPV (virus đa diện kiểu nhân) và

GV (virus thể hạt) Phương pháp sản xuất là nuôi trên tế bào sống của côn trùng và mô tế bào Hiện nay vấn đề chủ yếu là giá thành sản xuất và tính ổn định trên đồng ruộng

Thuốc trừ sâu bằng nấm Là thuốc trừ sâu có sản lượng nhiều sau vi khuẩn So với vi khuẩn, chúng có 2 ưu điểm:

Phạm vi vật chủ rộng, có thể lây nhiễm nhiều loại côn trùng Có thể giết chết nhiều loại chích hút như ve, rệp sáp

Nhược điểm: Lượng dùng lớn, giá thành cao Thời gian bảo quản sản phẩm thấp

Thuốc diệt cỏ vi sinh vật Chế phẩm VSV gây bệnh cho cỏ dại à không theo kịp thuốc hóa học Streptomyces có thể ức chế cỏ dại, không ảnh hưởng đến vườn cây à có thể được

ứng dụng

Chất hoạt tính bề mặt vi sinh vật

21

Là chất làm giảm sức căng bề mặt. Chúng có 1 đầu ưa nước và 1 đầu kỵ nước và có thể làm chất dinh dưỡng

Chất hoạt tính bề mặt VSV không tan trong nước à không ảnh hưởng đến môi trường

Được ứng dụng rộng rãi trong khai thác dầu mỏ, phân giải các chất hữu cơ trong đất và mỏ dầu khí

Có thể làm thuốc chữa bệnh như Rhodococus erythropolis, Pseudomonas có thể được sử dụng để chữa bệnh do virus

22