Bài 11: Khái quát về vi sinh vật trong xử lí ô nhiễm môi trường

I. VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG

Vi sinh vật đóng vai trò là các sinh vật phân giải các hợp chất E hữu cơ phức tạp tồn tại trong tự nhiên như xác của động vật, thực vật và các vi sinh vật thông qua các quá trình hô hấp hoặc lên men thành các phân tử đơn giản. Khi phân giải các hợp chất hữu cơ này, vi sinh vật thu nhận được nguồn carbon và năng lượng dùng cho sinh trưởng và sinh sản tạo sinh khối vi sinh vật. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân giải là CO₂, nước và các chất khoáng được tuần hoàn trở lại sinh quyển.

Ở vi sinh vật, các quá trình phân giải diễn ra với tốc độ nhanh. Bên cạnh đó, nhiều loài vi sinh vật sống được ở những môi trường rất khắc nghiệt, vì vậy quá trình phân giải nhờ vi sinh vật có thể diễn ra khắp mọi nơi trên Trái Đất. Khi nồng độ các chất hữu cơ trong tự nhiên vượt quá ngưỡng sẽ gây ô nhiễm môi trường. Với những khả năng ưu việt trên, vi sinh vật tham gia thực hiện quá trình phân giải các chất đó thành những chất đơn giản, ít hoặc không gây ô nhiễm.

II. QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI CÁC HỢP CHẤT TRONG XỬ LÍ MÔI TRƯỜNG

Phân giải sinh học nhờ vi sinh vật là quá trình vi sinh vật bẻ gãy các liên kết hoá học trong các chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản hơn và xảy ra trong điều kiện hiếu khí hoặc kị khí. Quá trình phân giải sinh học cung cấp nguồn carbon và năng lượng cho quá trình sinh trưởng, sinh sản tạo sinh khối vi sinh vật. Quá trình đó được diễn ra theo một chuỗi liên tục với sự tham gia của nhiều loài vi sinh vật, nhờ đó tạo ra chu trình tuần hoàn vật chất trong tự nhiên và làm sạch môi trường.

Kết quả của quá trình phân giải sinh học gồm: sinh khối tế bào vi sinh vật, các hợp chất hữu cơ đơn giản hơn hoặc các chất vô cơ (khoáng, CO₂ và H₂O).

Quá trình phân giải là một chuỗi các phản ứng; mỗi phản ứng được xúc tác bởi một loại enzyme đặc hiệu sinh ra bởi tế bào vi sinh vật thực hiện quá trình phân giải. Quá trình phân giải đó cho phép nhiều vi sinh vật cùng tham gia chuỗi chuyển hoá các chất trong môi trường nên tốc độ phân giải nhanh. Đó là một đặc điểm ưu việt của vi sinh vật trong xử lí ô nhiễm môi trường. Trong tự nhiên, khi nồng độ của các hợp chất chứa carbon (rơm rạ), nitrogen (xác động vật), lưu huỳnh, phosphorus,... vượt quá ngưỡng thường gây nên ô nhiễm môi trường. Vi sinh vật đóng vai trò chuyển hoá các hợp chất gây ô nhiễm đó thành các chất ít hoặc không ô nhiễm.

Hợp chất hữu cơ chứa carbon có trong môi trường gồm các polymer trong xác động vật, thực vật và vi sinh vật. Các hợp chất này được vi sinh vật phân giải thành CO₂ trong điều kiện hiếu khí hoặc kị khí. Ví dụ: Nguồn carbon thường tìm thấy trong xác thực vật được ủ thành phân bón giúp tăng độ phì nhiêu cho đất. Các vi sinh vật tham gia phân giải xác thực vật khá đa dạng, gồm có vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm.

Hợp chất hữu cơ chứa nitrogen có nguồn gốc từ thực vật và động vật phổ biến nhất trong tự nhiên là protein. Trong tự nhiên, lưu huỳnh tồn tại trong hợp chất hữu cơ (amino acid, enzyme, coenzyme) và hợp chất vô cơ phổ biến là các muối sulfate.

Phosphorus tồn tại trong tự nhiên gồm hai dạng phosphorus hữu cơ như nucleic acid, ATP, ADP, AMP, phospholipid,... và phosphorus vô cơ trong các chất khoáng. Những dạng phosphorus này cây không sử dụng trực tiếp mà phải được chuyển sang dạng muối của H₃PO₄ nhờ vai trò của các vi sinh vật.

1. Quá trình phân giải hiếu khí

Trong điều kiện môi trường hiếu khí, các hợp chất hữu cơ phức tạp như hợp chất hữu cơ chứa carbon, nitrogen, lưu huỳnh, phosphorus rất dễ bị phân giải thông qua một loạt các phản ứng với sự tham gia của nhiều nhóm vi sinh vật và giải phóng ra các chất vô cơ khác nhau.

2. Quá trình phân giải kị khí (lên men)

Trong điều kiện môi trường kị khi nhờ các nhóm vi sinh vật khác nhau, các hợp chất hữu cơ bị phần giải thành các chất vô cơ hoặc lên men thành các chất hữu cơ khác. Sản phẩm cuối của quá trình phân giải này là khí methane nhờ vi sinh vật sinh methane.

Bên cạnh các chất hữu cơ tự nhiên, trong môi trường tồn tại rất nhiều hợp chất hoá học tổng hợp (vô cơ hoặc hữu cơ) từ các ngành công nghiệp và nông nghiệp hoặc hoạt động hằng ngày của con người. Các vi sinh vật cũng có khả năng phân giải các hợp chất hoá học tổng hợp bằng cách biến đổi cấu trúc hoá học của các hợp chất đó khiến chúng trở nên vô hại đối với một hoặc nhiều loài sinh vật nhạy cảm với các hợp chất đó. Trong quá trình phân giải, có thể chỉ một loài vi sinh vật tham gia nhưng hầu hết là một “tập đoàn” gồm nhiều loài vi sinh vật thực hiện.