Nội dung lý thuyết
Vi sinh vật đóng vai trò quan trọng đối với các quá trình phân giải hợp chất hữu cơ.
Dưới tác động của độ ẩm, nhiệt độ, không khí, quá trình phân huỷ hợp chất hữu cơ bởi vi sinh vật (như vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh,...) tạo nên các sản phẩm cuối cùng là mùn và chất dinh dưỡng mà cây trồng có thể hấp thụ được. Trong đó, vai trò của các nhóm vi sinh vật phân giải cellulose, tinh bột, protein, lipid,... là rất quan trọng.
Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ với sự tham gia của oxygen được gọi là phân giải hiếu khí.
Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ không có sự tham gia của oxygen được gọi là phân giải kị khí. Vi sinh vật kị khí như nhóm vi khuẩn sinh acid và nhóm vi khuẩn chuyển hoá trực tiếp thành methane, amoniac, CO2,...
Vi sinh vật có kích thước nhỏ bé nhưng khả năng hấp thụ và chuyển hoá của chúng vượt xa các sinh vật bậc cao.
a. Sinh trưởng, phát triển mạnh
So với các sinh vật khác, vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng và sinh sản rất nhanh. Năng lực chuyển hoá mạnh mẽ của vi sinh vật có tác dụng quan trọng trong thiên nhiên và các hoạt động sống của con người.
Ví dụ: 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; Trong các điều kiện thích hợp, vi khuẩn E. coli khoảng 12 – 20 phút sẽ phân chia một lần; Thời gian thế hệ của nấm men Saccharomyces cerevisiae là 120 phút.
b. Thích nghi tốt và dễ phát sinh biến dị
Vi sinh vật có cơ chế điều hoà, trao đổi chất nên dễ thích ứng được với những điều kiện sống bất lợi (một số vi sinh vật có thể giữ nguyên sức sống ở nhiệt độ của nitrogen lỏng (–196 °C).
Visinh vật dễ phát sinh biến dị do cơ thể đơn bào, sinh sản nhanh, số lượng cá thể con nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống. Tần số biến dị của vi sinh vật thường là 10-5 – 10-10, Hình thức biến dị thường gặp là đột biến gene (gene mutation); dẫn đến những thay đổi về hình thái, cấu tạo, kiểu trao đổi chất, sản phẩm trao đổi chất, tính kháng nguyên, tính để kháng,..
c. Phân bố rộng, chủng loại nhiều
Vi sinh vật phân bố ở khắp mọi nơi trên Trái Đất. Chúng có mặt trên cơ thể người, động vật, thực vật, trên bề mặt mọi đồ dùng, vật liệu; trong đất, nước, không khí. Chúng có mặt từ biển khơi đến núi cao, từ nước ngọt, nước ngầm, nước biển,...
a. Vi sinh vật phân giải tinh bột
Vi sinh vật phân giải tinh bột sản sinh ra hệ enzyme amylase (gồm bốn enzyme: α-amylase, β-amylase, amilo - 1,6 -glucosidase, glucoamylase) phân cắt tinh bột thành amylose và amylopectin rồi phá huỷ các liên kết glucoside để tạo glucose. Ví dụ: Candida, xạ khuẩn (Saccharomyces), Endomycopsis, Bacillus subtillis, Clostridium, Pseudomonas.
b. Vi sinh vật phân giải cellulose
Vi sinh vật phân giải cellulose sản sinh ra hệ enzyme phân huỷ các liên kết, tạo các mạch đơn ngắn rồi phá huỷ các liên kết glucoside để tạo glucose. Ví dụ:
- Vi khuẩn: Pseudomonas, Cellulomonas, Achromobacter, Clostridium, Ruminococus.
- Nấm mốc: Aspergillus, Fusarium, Mucor, Trichoderma,...
- Xạ khuẩn: Streptomyces.
- Nấm men: Candida, Saccharomyces.
c. Vi sinh vật phân giải protein
Vi sinh vật phân giải protein sản sinh ra enzyme protease phân cắt protein thành các amino acid. Ví dụ:
- Vi khuẩn: Bacillus mycoides, Bacillus subtillis, Pseudomonas fluorescens, Achromobacter, Clostridium sporogenes.
- Xạ khuẩn: Streptomyces rimosus, Streptomyces griseus,...
- Nấm: Aspergillus oryzae, Aspergillus niger, Penicillium camemberti,...
d. Vi sinh vật phân giải lipid
Vi sinh vật phân giải lipid sản sinh ra enzyme lipase phân cắt lipid thành các glycerol và acid béo, cung cấp năng lượng cho vi sinh vật hoạt động. Ví dụ: Pseudomonas, Achromobacter, xạ khuẩn (Actinomyces),...
Công nghệ vi sinh vật là một "mắt xích" quan trọng trong công nghệ sinh học, đây là một môn khoa học nghiên cứu về những hoạt động sống của vi sinh vật nhằm khai thác tối ưu sản xuất ở quy mô công nghiệp. Hiện nay, nhiều quy trình công nghệ xử lí ô nhiễm môi trường được xây dựng dựa trên hoạt động của vi sinh vật. Trong lĩnh vực này, vi sinh vật môi trường đang là phương pháp tiếp cận nghiên cứu tốt nhất của thế giới, tập trung vào việc phân lập vi sinh vật từ tự nhiên hay tạo ra các chủng, giống mới có khả năng nuôi dưỡng và tạo thành các chế phẩm sinh học nhằm giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm môi trường mà công nghệ sinh học trước đây chưa làm được.
Ô nhiễm môi trường đất làm thay đổi tính chất của đất bởi các tác nhân gây ô nhiễm, các chất độc hại; khiến tài nguyên đất bị nhiễm bẩn, gây hại cho đời sống con người, động vật,...
Các chất ô nhiễm thấm sâu vào đất sẽ không bị loại thải bởi các tác nhân tự nhiên như ở ô nhiễm nước hay không khí. Đất bị ô nhiễm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người thông qua tiếp xúc hay do sự bốc hơi các chất gây ô nhiễm từ đất vào môi trường; đất bị ô nhiễm ngấm vào tầng nước ngầm cũng trở thành mối đe doạ đến sức khoẻ con người.
Người ta phân loại ô nhiễm môi trường đất theo nguồn gốc phát sinh và các tác nhân gây ô nhiễm. Trên cơ sở đó, việc xử lí ô nhiễm môi trường đất được thực hiện dễ dàng hơn. Một trong các biện pháp xử lí hiệu quả chính là sử dụng vi sinh vật để xử lí ô nhiễm môi trường đất.
Vai trò của vi sinh vật trong xử lí ô nhiễm môi trường đất:
- Giúp bằng sinh đất.
- Cải thiện môi trường đất.
- Góp phần tăng độ phì nhiêu và tiêu diệt các tác nhân gây bệnh, sâu hại cho đất.
- Giúp đất lưu thông nước, lưu trữ nước và các chất dinh dưỡng.
- Kiểm soát dòng chảy của phân bón.
Ô nhiễm môi trường nước là hiện tượng nguồn nước tại các ao, hồ; sông, suối; kênh, rạch; mạch nước ngầm; biển;... chứa các chất độc hại với hàm lượng cao và gây nguy hiểm cho sức khoẻ của con người, động vật, thực vật. Tác nhân chính gây ra ô nhiễm môi trường nước là những chất độc hại có trong tự nhiên, các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt.
Xử lí ô nhiễm môi trường nước chính là loại thải các chất độc hại. Sử dụng vi sinh vật để xử lí ô nhiễm môi trường nước là một trong các biện pháp xử lí hiệu quả.
Vai trò của vi sinh vật trong xử lí ô nhiễm môi trường nước:
- Giúp cân bằng hệ sinh thái trong nước.
- Cải thiện môi trường lí, hoá, sinh của nước.
- Giúp cân bằng chất dinh dưỡng có trong nước.
Các phế thải vô cơ, hữu cơ do con người, gia súc, gia cầm, các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp được xử lí bằng con đường phân huỷ vi sinh vật. Các vi sinh vật được sử dụng thuộc nhóm vi khuẩn, vi nấm, vi tảo. Chúng chứa enzyme nội bào, ngoại bào và có tác dụng phân huỷ khối lượng lớn phế thải. Trong môi trường tự nhiên, có nhiều loài vi sinh vật có khả năng hấp thụ các kim loại nặng. Kim loại nặng là những chất chứa các ion. Đây là những chất gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nếu không được xử lí triệt để. Vì vậy, các chủng vi sinh kháng kim loại được nuôi cấy và cho trực tiếp vào bể nước thải. Các chất ô nhiễm bị vi sinh vật phân huỷ bằng phản ứng chuyển hoá nhằm biến đổi các chất hữu cơ phức tạp, nguy hiểm thành các chất đơn giản, an toàn trước khi thải ra môi trường.
Sản phẩm do vi sinh vật phân giải kim loại nặng tạo ra tồn tại ở hai dạng: bột và nước.
Ứng dụng vi sinh vật trong xử lí kim loại nặng giúp tiết kiệm thời gian trong việc xử lí ô nhiễm môi trường. Do vậy, cần tuyển chọn các chủng vi sinh vật đặc thù để tham gia quá trình này.
Các chủng vi sinh vật xử lí kim loại nặng gồm vi sinh vật kị khí và hiếu khí. Các vi sinh vật này phân bố rộng trong đất, nước, không khí hay trong các rác thải cần xử lí,...
Vai trò của vi sinh vật trong xử lí ô nhiễm chất thải, kim loại nặng, rác thải:
- Giúp cân bằng hệ sinh thái và chất dinh dưỡng trong môi trường.
- Cải thiện môi trường lí, hoả, sinh trong tự nhiên.
- Mang lại hiệu quả cao do vi sinh vật có khả năng phân giải và chuyển hoá lâu dài.
- Phân huỷ, chuyển hoá nhanh các phế thải sinh học, nông nghiệp, công nghiệp,... thành các chất an toàn, góp phần làm sạch môi trường.