Đang tải... (xem toàn văn)
Bài 2 giáo trình công nghệ sinh học môi trường trường đại học Lạc Hồng
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG THS: VƯU NGỌC DUNG BÀI 2: XỬ LÝ CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ KHÓ PHÂN HỦY 1. GIỚI THIỆU 2. CÁC NGUYÊN TẮC CỦA PHÂN HỦY BỞI VI KHUẨN 3. CÁC KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA NẤM 4. CÁC KHÍA CẠNH TỔNG QUÁT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ 5. CÁC PHẢN ỨNG “CHỦ ĐẠO” CỦA SỰ PHÂN HỦY KỴ KHÍ CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ NHẤT ĐỊNH 1. GIỚI THIỆU • Bước tấn công đầu tiên vào chất ô nhiễm hữu cơ xảy ra bên trong tế bào là quá trình oxy hoá; sự hoạt hoá và gắn oxy vào phân tử chất ô nhiễm là những quá trình enzyme, ở đây các enzyme chìa khoá là oxygenase và peroxidase. • Con đường phân huỷ diễn ra từng bước một chuyển chất ô nhiễm hữu cơ thành những hợp chất trung gian tiến tới vòng trao đổi chất trung tâm, có nghĩa là vòng tricarboxylic acid. • Sinh khối tế bào được tổng hợp từ chính những nền tảng là chất chuyển hoá trung gian, giả sử như CoA, suscinate, pyruvate. Chất đường cần thiết cho nhiều quá trình sinh tổng hợp và sinh trưởng được tổng hợp qua quá trình gluconeogenesis. • Phân hủy bao gồm hai quá trình cơ sở: sinh trưởng và đồng trao đổi chất. - Trong quá trình sinh trưởng, một chất hữu cơ được sử dụng làm nguồn carbon và nguồn năng lượng duy nhất, kết quả phân huỷ hoàn toàn (khoáng hoá) chất hữu cơ - Qúa trình đồng trao đổi chất được định nghĩa là quá trình trao đổi chất của một chất hữu cơ trong khi có mặt của một cơ chất sinh trưởng là nguồn carbon và năng lượng chính. 2. CÁC NGUYÊN TẮC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY BỞI VI KHUẨN 2.1. CÁC VI KHUẨN PHÂN HỦY HIẾU KHÍ ĐIỂN HÌNH • Phần lớn những vi khuẩn phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong môi trường ô nhiễm giàu oxy là những loài vi khuẩn hóa dưỡng hữu cơ. • Chúng có thể sử dụng các hợp chất hữu cơ tự nhiên hay nhân tạo làm nguồn cacbon duy nhất và nguồn cho điện tử để tạo năng lượng. • Mặc dù nhiều loài vi khuẩn có khả năng chuyển hóa nhiều chất ô nhiễm hữu cơ, nhưng không có một loài nào lại có thể có phân hủy tất cả hay phần lớn các hợp chất hữu cơ. • Hỗn hợp các vi khuẩn có khả năng phân hủy cao nhất. • Khả năng di truyền và những yếu tố môi trường nhất định: nhiệt độ, pH, nguồn nitơ và phospho xác định tốc độ và thời gian của quá trình phân hủy. • Loài vi khuẩn Pseudomonads có khả năng lên men, có khả năng phân hủy cao nhất (P. putida và P. fluorescens) và có khả năng sử dụng hơn trăm hợp chất hữu cơ làm nguồn carbon. • Khả năng to lớn của Pseudomonads không chỉ phụ thuộc vào các enzym dị hóa mà còn ở khả năng điều hòa chuyển hóa. • Nhóm thứ hai là cầu khuẩn Gram dương (Rhodococci) và phẩy khuẩn (Coryne). • Những vi khuẩn này tạo ra axít mycolic trên bề mặt tế bào và các axít béo bị ester hóa thành peptidoglycan – thành phần của thành tế bào. • Các loài vi khuẩn này có khả năng sinh tổng hợp các hợp chất hoạt động bề mặt sinh học 2.2. SỰ PHÂN HỦY CÁC HỢP CHẤT BÉO CÓ LIÊN QUAN ĐẾN TĂNG TRƯỞNG • Vi khuẩn hiếu khí ban đầu tấn công các hợp chất hydrocarbon béo và vòng béo đều đòi hỏi có oxy phân tử. • Hai dạng enzyme tham gia vào quá trình phản ứng là monooxygense hay dioxygenase tùy thuộc vào bản chất của cơ chất và loại enzyme tạo ra bởi vi sinh vật. • Sản phẩm phân hủy liên quan đến tăng trưởng là CO 2 , nước và sinh khối. • Sinh khối có thể tiếp tục bị khoáng hóa sau khi kết thúc quá trình phân hủy chất ô nhiễm ngoài môi trường. • Các hợp chất n-alkans dễ dàng bị phân hủy ngay, những hydrocarbon mạch ngắn (< C9) gây độc cho hầu hết các vsv lại dễ dàng bay hơi từ vị trí bị ô nhiễm. • Cơ chế oxy hóa các hợp chất alkan được chia làm 2 kiểu: Một đầu carbon (Monoterminal) hoặc Hai đầu carbon (Diterminal). • Một đầu là cơ chế chủ đạo: tạo nên các hợp chất rượu aldehyde axít béo acetyl-CoA. • Các hydrocarbon có số carbon lẻ: propionyl-CoA succinyl- CoA. • Các axít béo có chuỗi carbon sinh lý có thể được bổ sung trực tiếp cho cấu trúc lipid màng tế bào. • Oxy hóa kiểu áp cuối (Subterminal) thường xảy ra ở hydrocarbon có C3-C6 hoặc dài hơn tạo thành rượu bậc 2 rồi chuyển sang dạng keton. [...]... CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ • Xảy ra quá chậm và không hiệu quả với một số dạng cơ chất khá bền vững nhất định • Trong quá trình xử lý nước thải, quá trình phân hủy kị khí kinh tế hơn so với các quá trình hiếu khí: năng lượng, khí sinh học (biogas: CH4, CO2) và ít sinh khối • Các chất hữu cơ bị phân hủy mà không cần tới oxy • Dùng xử lý nước thải có hàm lượng phenol cao, tránh tạo thành các sản phẩm... (các hơp chất BTEX) và naphtalen thuộc về một nhóm chất hóa dầu có thể tích lớn, được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu và dung môi công nghiệp • Các hợp chất phenol và chlorophenol thải ra môi trường dưới dạng sản phẩm hay chất thải công nghiệp • Các cơ thể sinh học cũng tạo ra một lượng lớn các hợp chất vòng thơm (các amino axít dạng vòng, các phenol, hydroquinone/ quinone…), vsv có thể phân hủy các. .. làm chất cơ sở cho các quá trình sinh tổng hợp • Quá trình phân huỷ kị khí xảy ra trong môi trường thiếu khí, do vậy, cần phải nghiên cứu về nguy cơ của các hợp chất tổng hợp đối với sức khoẻ con người và môi trường • Những hợp chất một nhân thơm bị phân huỷ kị khí khá hiệu quả nếu trong cấu trúc có chứa các nhóm thế: carboxyl, hydroxyl, methoxyl, amino, hoặc methyl • Sự phân huỷ kị khí những hợp chất. ..• Các alkan mạch vòng khó bị phân hủy sinh học, một vài vsv sử dụng cyclohexan làm nguồn carbon chính và phân hủy theo cơ chế đồng chuyển hóa (co-metabolism) • Các hydrocarbon béo có mạch càng dài càng kém tan trong nước 2 cơ chế vsv tiếp nhận các hợp chất béo: vsv bám vào hạt dầu và tạo các chất hoạt động bề mặt sinh học (biosurfactant) • Biosurfactant: là những hợp chất có cấu trúc... loại bỏ halogen: điện tử xuất phát từ phân tử hydrogen, formate hay một chất hữu cơ phức tạp hơn được chuyển đến cơ chất chứa clo để tạo thành chất hữu cơ ở dạng khử và ion Clo (Cl-) • Một số trường hợp, phản ứng oxi hóa khử dạng này có thể hình thành năng lượng chuyển hoá thông qua chuỗi hô hấp • Sự phân huỷ kị khí có thể áp dụng để xử lý một số chất thải hữu cơ, sản phẩm thường là CH4 và CO2, có... không bị đồng hóa nhưng Phân hủy trichloroethylen (TCE) theo sản phẩm của nó có thể là cơ cơ chế đồng chuyển hóa bởi hệ enzym chất cho loài vi sinh vật khác có metan monooxygenase trong vi khuẩn trong hỗn hợp vi sinh hóa dưỡng metan Phân hủy các chất ô nhiễm bền bằng sự phối hợp giữa vi khuẩn hiếu khí và kỵ khí • Về mặt nguyên tắc, tính bền vững của các hợp chất ô nhiễm hữu cơ tăng lên cùng với mức... Lignin phân hủy không là nguồn carbon và năng lượng để nấm sinh trưởng Nguyên lý phân hủy là đồng chuyển hóa (cơ chất sinh trưởng là hầu hết các chất đường sinh ra từ phản ứng thủy phân hemicellulose xúc tác enzym) • Một số enzym dạng oxydoreductase (enzyme làm phân rã lignin): peroxidase và laccase Những enzym này xúc tác và tấn công lignin theo cơ chế không đặc trưng 4 CÁC KHÍA CẠNH TỔNG QUÁT CỦA CÁC... fumarát và dạng trung gian alkyl succinát • Các hydrocarbon không bão hoà có thể bị hydrát hóa tạo thành các rượu tương ứng và sau đó bị phân hủy hoàn toàn Quá trình phân hủy không hoàn toàn rất có thể do tạo thành các dạng dẫn xuất mạch nhánh bão hòa Sự phân hủy các chất hữu cơ chứa halogen • Khử halogen, về mặt cơ sở là thông qua phản ứng oxy hoá, thuỷ phân, hoặc khử Đối với vi khuẩn kị khí là phản... học tương tự hợp chất tự nhiên • Cometabolism là dạng chuyển hóa một chất không có giá trị dinh dưỡng khi có mặt cơ chất sinh trưởng là dạng khá phổ biến trong vi sinh vật • Là cơ sở chuyển hoá sinh học (bioconversion) để chuyển một chất thành chất có cấu trúc hóa học khác • Một vi sinh vật sinh trưởng trong một nguồn cơ chất nào đó có khả năng oxi hóa một cơ chất thứ hai (co-substrate) Cơ chất thứ hai... của chất béo và tạo nên các cấu trúc hình cầu li ti (micelle) • Sản phẩm của quá trình là tạo cơ chất của quá trình chuyển hóa năng lượng và sinh tổng hợp sinh khối tế bào: - Tổng hợp amino axít và protein cần nguồn nitơ và lưu huỳnh - Nucleotides hay nuclelic axít cần nguồn phospho - Thành tế bào cần chất đường 2.3 Đa dạng của các hợp chất vòng thơm - Các quá trình dị hóa đồng nhất • Những hợp chất . CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG THS: VƯU NGỌC DUNG BÀI 2: XỬ LÝ CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ KHÓ PHÂN HỦY 1. GIỚI THIỆU 2. CÁC NGUYÊN TẮC CỦA PHÂN HỦY BỞI VI KHUẨN 3. CÁC KHẢ NĂNG PHÂN HỦY. mặt của một cơ chất sinh trưởng là nguồn carbon và năng lượng chính. 2. CÁC NGUYÊN TẮC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY BỞI VI KHUẨN 2. 1. CÁC VI KHUẨN PHÂN HỦY HIẾU KHÍ ĐIỂN HÌNH • Phần lớn những vi. bào. • Các loài vi khuẩn này có khả năng sinh tổng hợp các hợp chất hoạt động bề mặt sinh học 2. 2. SỰ PHÂN HỦY CÁC HỢP CHẤT BÉO CÓ LIÊN QUAN ĐẾN TĂNG TRƯỞNG • Vi khuẩn hiếu khí ban đầu tấn công