BÀI 10: VI SINH VẬT TRONG PHÂN GIẢI CÁC HỢP CHẤT LÀM Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
I. VI SINH VẬT PHÂN GIẢI HIẾU KHÍ TRONG XỬ
LÍ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
- Khái niệm:
Phân giải hiếu khí là quá trình vi sinh vật phân giải các chất hữu cơ khi có mặt
oxygen để tạo ra năng lượng, CO₂ và H₂O.
- Khả năng phân giải các hợp chất
hydrocarbon:
+ Diễn ra mạnh mẽ trong đất
và nước nhờ các loài vi sinh vật bản địa.
+ Tốc độ phân giải phụ thuộc
vào các yếu tố môi trường như: độ pH, độ mặn, nhiệt độ và đặc biệt là hàm lượng
oxygen hòa tan.
- Ứng dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt
và công nghiệp:
+ Phân giải các chất hữu cơ
trong nước thải từ các nhà máy chế biến sữa, sản xuất giấy, dệt, nhuộm vải,...
+ Một số loài vi khuẩn đặc
biệt có khả năng chuyển hóa phosphorus hòa tan thành dạng tích lũy polyphosphate
trong tế bào chất, giúp con người dễ dàng thu hồi và loại bỏ phosphorus ra khỏi
nguồn nước, tránh hiện tượng phú dưỡng hóa.
II. VI SINH VẬT PHÂN GIẢI KỊ KHÍ TRONG XỬ
LÍ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
- Khái niệm:
Phân giải kị khí là quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong điều
kiện hoàn toàn không có oxygen.
- Cơ chế phân giải kị khí:
+ Bước 1: Các vi khuẩn kị
khí phân giải các chất hữu cơ phức tạp (lipid, protein, polysaccharide) thành
các đơn phân nhỏ hơn (acid béo, amino acid, đường đơn).
+ Bước 2: Các đơn phân tiếp
tục được chuyển hóa thành acetate, khí hydrogen (H₂) và carbon dioxide (CO₂).
+ Bước 3: Cổ khuẩn sinh
methane (Methanogenic Archaea) chuyển hóa các sản phẩm trên thành khí
methane (CH₄), CO₂ và H₂O.
- Vai trò và ứng
dụng:
+ Giúp ngăn chặn lượng lớn khí CH₄ (khí nhà kính cực mạnh)
thoát ra ngoài khí quyển từ các bãi rác hoặc đáy đại dương.
+ Ứng dụng trong các công trình bể tự hoại, hầm xử lý chất
thải chăn nuôi để vừa làm sạch môi trường, vừa thu hồi khí sinh học (biogas)
làm chất đốt.
III. VI SINH
VẬT LÊN MEN TRONG XỬ LÍ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
- Khái niệm: Lên men là quá trình phân giải kị khí không hoàn
toàn các chất hữu cơ (chủ yếu là carbohydrate) để thu năng lượng và các sản phẩm
trung gian có giá trị.
- Ứng dụng sản
xuất nhiên liệu sinh học (Bioethanol):
+ Giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch,
hạn chế hiệu ứng nhà kính.
+ Tận dụng các nguồn phế thải nông nghiệp giàu cellulose
(rơm, rạ, lõi ngô, mùn cưa, vỏ trấu).
+ Sơ đồ quy trình sản xuất xăng sinh học (Hình 10.1):
IV. CHỌN LỌC
VÀ TẠO GIỐNG CÁC VI SINH VẬT CÓ KHẢ NĂNG PHÂN GIẢI CÁC CHẤT LẠ GÂY Ô NHIỄM MÔI
TRƯỜNG
- Phục hồi
sinh học (Bioremediation):
Là biện pháp sử dụng các sinh vật (chủ yếu là vi sinh vật đã được tuyển chọn) để
phân hủy hoặc vô hiệu hóa các chất độc hại trong môi trường đất và nước.
- Chất lạ với
sinh vật (Xenobiotics):
+ Là những hợp chất hóa học do con người tổng hợp nhân tạo,
rất khó hoặc không thể bị phân giải tự nhiên bằng các con đường sinh học thông
thường.
+ Ví dụ: Các hydrocarbon thơm đa vòng (PAH), nhựa
phenolic, thuốc bảo vệ thực vật, hóa chất bảo quản, độc tố trong mỹ phẩm,...
- Quy trình
nghiên cứu và tạo giống vi sinh vật phân giải chất lạ:
+ Bước 1: Phân lập các chủng vi sinh vật sống sót và
phát triển tốt trong môi trường chứa chất độc hại (chất lạ), tiến hành giải
trình tự hệ gene của chúng.
+ Bước 2: Xác định các gene trong hệ gene của chúng được
biểu hiện và các loại protein (enzyme) nào được tổng hợp tương ứng.
+ Bước 3: Xác định các protein/enzyme này tham gia vào
những con đường chuyển hóa cụ thể nào trong tế bào vi sinh vật để phân giải chất
lạ.
BẢNG SO SÁNH CÁC HÌNH THỨC PHÂN GIẢI CHẤT HỮU CƠ Ở VI
SĨNH VẬT
|
Tiêu
chí so sánh |
Phân
giải hiếu khí |
Phân
giải kị khí |
Lên
men |
|
Sự có mặt của oxygen (O₂) |
Bắt buộc phải có O₂ |
Hoàn toàn không có O₂ |
Không cần có O₂ |
|
Sản phẩm cuối cùng |
CO₂, H₂O, sinh khối vi sinh vật |
CH₄, CO₂, H₂O, sinh khối |
Ethanol, acid lactic, CO₂,... |
|
Hiệu suất năng lượng |
Rất cao (nhiều ATP) |
Trung bình |
Rất thấp (ít ATP) |
|
Ứng dụng bảo vệ môi trường |
Xử lý nước thải hiếu khí, làm sạch ao hồ nuôi trồng
thủy sản. |
Sản xuất khí sinh học (Biogas), xử lý bùn thải, chất
thải rắn. |
Sản xuất nhiên liệu sinh học (Bioethanol) từ rác thải
nông nghiệp. |