Bài 11: Vi sinh vật trong phân huỷ các hợp chất

I. QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI CÁC HỢP CHẤT CỦA VI SINH VẬT

Vi sinh vật cũng giống với tất cả các sinh vật sống, chúng đều cần có thức ăn để tăng trưởng. Thức ăn mà vi khuẩn hấp thụ là sản phẩm xử lí chất thải sinh học bằng vi sinh vật, chúng tấn công từng bước một và liên tục lên các hợp chất hữu cơ có trong chất thải để tạo ra các sản phẩm đơn giản (chất vô cơ).

1. Phân giải hiếu khí

Phân giải hiếu khí là quá trình thanh lọc sinh học tự nhiên trong đó vi khuẩn phát triển mạnh trong môi trường giàu oxygen và phân huỷ các chất thải. Trong tất cả các phương pháp xử lí sinh học, phân giải hiểu khí là quá trình phổ biến nhất được sử dụng trên toàn thế giới. Vi khuẩn hiếu khí hoạt động rất hiệu quả trong việc phá vỡ các phế phẩm khi cung cấp oxygen với thiết bị sục khí, quá trình này có thể được tăng tốc đáng kể. Phân giải hiếu khí cũng tạo ra một lượng năng lượng lớn, một phần năng lượng được các vi sinh vật sử dụng để tổng hợp và phát triển tạo ra vi sinh vật mới. Trong suốt quá trình oxi hoá, các chất ô nhiễm được phân chia thành carbon dioxide, nước, nitrate, sulfate và sinh khối (vi sinh vật).

Kết quả cho thấy quá trình phân giải hiếu khí thường mang lại chất lượng tốt hơn so với quá trình phân giải kị khí trong việc xử lí chất thải.

2. Phân giải kị khí

Phân giải kị khí là một chuỗi phản ứng sinh hoá phức tạp phân huỷ các chất hữu cơ mà không cần oxygen. Quá trình được thực hiện nhờ một số vi sinh vật cần ít hoặc không cần oxygen để sống. Trong quá trình này, khí sinh học chủ yếu được tạo ra là khí methane và carbon dioxide. Lượng khí sản sinh ra khác nhau tuỳ vào lượng chất thải hữu cơ làm thức ăn cho vi sinh vật và nhiệt độ của chuỗi phản ứng, chịu ảnh hưởng tỉ lệ phân huỷ và sản sinh khí đốt (gas).

Quá trình phân giải kị khí xảy ra theo bốn bước:

– Thuỷ phân: Chất hữu cơ phức tạp bị phân huỷ thành các phân tử hữu cơ hoà tan đơn giản, sử dụng nước để phân chia các liên kết hoá học giữa các chất.

– Lên men hoặc Acidogenesis: Quá trình phân huỷ tinh bột bằng enzyme, vi khuẩn, nấm men, nấm mốc khi không có oxygen.

– Acetogenesis (quá trình acetate hoá): Quá trình chuyển đổi các sản phẩm lên men thành acetate, hydrogen và carbon dioxide do vi khuẩn acetogenic.

– Methanogenesis (quá trình methane hoá): Hình thành khí sinh học từ acetate, hydrogen và carbon dioxide nhờ vi khuẩn men vi sinh methanogenic.

Các vi khuẩn acetogenic phát triển gắn liền với các vi khuẩn men vi sinh methanogenic trong giai đoạn thứ tư của quá trình, do việc chuyển đổi các sản phẩm lên men bởi các acetogens là các phản ứng nhiệt động học khi nồng độ hydrogen được giữ đủ thấp.

Phân giải kị khí tạo ra khí methane, carbon dioxide và lượng nhỏ các chất rắn sinh học. Sự tăng trưởng sinh khối trong quá trình thấp hơn nhiều so với phân giải hiếu khí. Quá trình kị khí chỉ diễn ra trong điều kiện kị khí nghiêm ngặt, do vậy, phản ứng đòi hỏi các chất rắn sinh học thích nghi trong các điều kiện cụ thể.

Có hai quá trình xảy ra trong phân huỷ kị khí:

– Vi khuẩn sử dụng chất hữu cơ sản xuất ra acid (hữu cơ) dễ bay hơi, các chất khí (như carbon dioxide, hydrogen sulfide), chất rắn ổn định và tạo ra sinh khối vi sinh vật.

– Methane được tạo ra từ quá trình phân giải kị khí phản ứng với các acid dễ bay hơi, sản sinh thêm nhiều methane kị khí và chất rắn ổn định. Tuy nhiên, để tối ưu hoá việc tạo ra khí methane, cần phải liên tục cung cấp sodium bicarbonate để giữ ổn định pH.

– Khí methane được sản sinh từ quá trình này có thể được sử dụng làm nhiên liệu.

II. CÁC LOẠI VI SINH VẬT ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÍ CHẤT THẢI

Có nhiều nhóm vi sinh vật tham gia vào các quá trình phân huỷ chất hữu cơ của chất thải. Mỗi một nhóm sẽ đảm nhận vai trò, chức năng khác nhau, bao gồm những nhóm sau:

1. Nhóm vi sinh vật phân giải cellulose

a. Nhóm vi khuẩn và xạ khuẩn

Vi khuẩn hiếu khí: Azotobacter, Achromobacter, Pseudomonas, Vibrio, Cellulomonas, Cellvibrio, Bacillus, Cytophaga, Angiococcus, Polyangium, Sorangium,...;

Xạ khuẩn: Micromonospora, Proactinomyces, Actinomyces, Streptomyces,....

b. Các nhóm vi nấm

Vi nấm là nhóm có khả năng phân giải mạnh vì nó tiết ra môi trường một lượng lớn enzyme có đầy đủ các thành phần.

+ Nấm mốc phát triển mạnh ở môi trường xốp có độ ẩm trên 70%. Hầu hết các loài thuộc nhóm Nấm bất toàn và nấm Ascomysetes, trong đó đáng chú ý là Trichoderma có khả năng phân huỷ cellulose.

+ Nấm đốm là các loại nấm phát triển sâu trong tế bào gỗ tạo thành các đốm màu nâu. Hầu hết các loài thuộc nhóm Nấm bất toàn và nấm Ascomysetes, gồm các loài: Ceratocystis sp, Cladosporium sp, Aureobasidium sp.,...

+ Nấm mục:

Nấm mục xốp phát triển bên trong thành tế bào gỗ, có khoảng 300 loài thuộc các chi: Humicola, Chaetomium và Phialophora của nhóm Nấm bất toàn và Ascomysetes.

Nấm mục nâu xâm nhập vào thành tế bào gỗ và phân huỷ tế bào, chúng thuộc nhóm Nấm bất toàn và Basidiomycetes, nhiệt độ sinh trưởng tối ưu 22 – 31 °C, độ ẩm thấp khoảng 40 – 55 %, các loài quan trọng như: Phaeolus schweiniti, Piptoprous betulinus, Laetiprous sulphureus, Sperassis crispa,...

Nấm mục trắng thuộc nhóm của Nấm bất toàn và Basidiomycetes, nhiệt độ sinh trưởng tối ưu 22 – 31 °C, tối đa không quá 44 °C, độ ẩm tối ưu có loài thấp, cao và rất cao, các loài điển hình như: Armillaria mellea, Fongus fomentarius, Meripilus giganteus, Fomes annosus,...

2. Nhóm vi sinh vật phân giải protein

Nhóm này bao gồm vi khuẩn nitrate hoá, vi khuẩn nitrite hoá, vi khuẩn cố định nitrogen.

a. Nhóm vi khuẩn nitrite hoá

Bao gồm các chi khác nhau: Nitrosomonas, Nitrosocystis và Nitrosospira là vi khuẩn tự dưỡng bắt buộc, không có khả năng sống trên môi trường thạch.

b. Nhóm vi khuẩn nitrate hoá

Nhóm vi khuẩn nitrate hoá tiến hành oxi hoá NO, thành NO; bao gồm ba chi khác nhau: Nitrobacter, Nitrospira và Nitrococcus.

c. Nhóm vi khuẩn cố định nitrogen

Nhóm vi khuẩn cố định nitrogen có trong môi trường bao gồm: Azotobacter – là vi khuẩn hiếu khí, không sinh bào tử, có khả năng cố định nitrogen phân tử, sống tự do trong đất; Clostridium – phổ biến nhất là Clostridium pastenisium có hình que ngắn, là vi khuẩn kị khí sống tự do trong môi trường, có khả năng hình thành bào tử. Clostridium có khả năng đồng hoá nhiều nguồn carbon khác nhau như các loại đường, rượu, tinh bột,...

3. Nhóm vi sinh vật phân giải tinh bột

Nhóm này gồm các nhóm vi khuẩn, xạ khuẩn và vi nấm như Aspergillus, Rhizopus, Bacillus mesentericus, Clostridium, Aspergillus oryzae,...

a. Có nhiều loại vi sinh vật có khả năng phân giải tinh bột khi tiết ra môi trường đầy đủ các loại enzyme trong hệ enzyme amylase như các chi vi nấm Aspergillus, Rhizopus, vi khuẩn thuộc chi Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas,... hay các chi xạ khuẩn Aspergillus, Fusarium, Rhizopus,...

b. Đa số các vi sinh vật không có khả năng tiết đầy đủ hệ enzyme amylase phân huỷ tinh bột. Chúng chỉ có thể tiết ra môi trường một hoặc một vài loại enzyme trong hệ amylase này chỉ có khả năng tiết ra môi trường một loại enzyme α-amylase. Còn các loài Aspergillus oryzae, Clostrinium acetobuliticum chỉ tiết ra môi trường enzyme β-amylase. Một số loài khác chỉ có khả năng tiết ra môi trường enzyme glucoamylase. Các nhóm này cộng tác với nhau trong quá trình phân huỷ tinh bột thành đường.

4. Nhóm vi sinh vật phân giải phosphate

Nhóm này chủ yếu thuộc hai chi Bacillus và Pseudomonas. Các loài có khả năng phân giải manh là Bacillus megaterium, Bacillus mycoides, Bacillus butyricus và Pseudomonas sp., Pseudomonas radiobacter, Pseudomonas gracilis.

Ngày nay, người ta đã phát hiện ra một số xạ khuẩn và vi nấm cũng có khả năng phân giải phosphorus hữu cơ. Trong nhóm vi nấm thì Aspergillus niger có khả năng phân giải mạnh nhất. Ngoài ra, một số xạ khuẩn có khả năng phân giải lẫn vô cơ.