CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG THS: VƯU NGỌC DUNG BÀI 2: XỬ LÝ CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ KHÓ PHÂN HỦY GIỚI THIỆU CÁC NGUYÊN TẮC CỦA PHÂN HỦY BỞI VI KHUẨN CÁC KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA NẤM CÁC KHÍA CẠNH TỔNG QUÁT CỦA CÁC Q TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ CÁC PHẢN ỨNG “CHỦ ĐẠO” CỦA SỰ PHÂN HỦY KỴ KHÍ CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ NHẤT ĐỊNH GIỚI THIỆU • Bước cơng vào chất nhiễm hữu xảy bên tế bào q trình oxy hố; hoạt hố gắn oxy vào phân tử chất nhiễm q trình enzyme, enzyme chìa khố oxygenase peroxidase • Con đường phân huỷ diễn bước chuyển chất ô nhiễm hữu thành hợp chất trung gian tiến tới vòng trao đổi chất trung tâm, có nghĩa vịng tricarboxylic acid • Sinh khối tế bào tổng hợp từ tảng chất chuyển hoá trung gian, giả sử CoA, suscinate, pyruvate Chất đường cần thiết cho nhiều trình sinh tổng hợp sinh trưởng tổng hợp qua q trình gluconeogenesis • Phân hủy bao gồm hai trình sở: sinh trưởng đồng trao đổi chất - Trong trình sinh trưởng, chất hữu sử dụng làm nguồn carbon nguồn lượng nhất, kết phân huỷ hồn tồn (khống hố) chất hữu - Qúa trình đồng trao đổi chất định nghĩa trình trao đổi chất chất hữu có mặt chất sinh trưởng nguồn carbon lượng CÁC NGUN TẮC CỦA Q TRÌNH PHÂN HỦY BỞI VI KHUẨN 2.1 CÁC VI KHUẨN PHÂN HỦY HIẾU KHÍ ĐIỂN HÌNH • Phần lớn vi khuẩn phân hủy chất ô nhiễm hữu mơi trường nhiễm giàu oxy lồi vi khuẩn hóa dưỡng hữu • Chúng sử dụng hợp chất hữu tự nhiên hay nhân tạo làm nguồn cacbon nguồn cho điện tử để tạo lượng • Mặc dù nhiều lồi vi khuẩn có khả chuyển hóa nhiều chất nhiễm hữu cơ, khơng có lồi lại có phân hủy tất hay phần lớn hợp chất hữu • Hỗn hợp vi khuẩn có khả phân hủy cao • Khả di truyền yếu tố môi trường định: nhiệt độ, pH, nguồn nitơ phospho xác định tốc độ thời gian trình phân hủy • Lồi vi khuẩn Pseudomonads có khả lên men, có khả phân hủy cao (P putida P fluorescens) có khả sử dụng trăm hợp chất hữu làm nguồn carbon • Khả to lớn Pseudomonads không phụ thuộc vào enzym dị hóa mà cịn khả điều hịa chuyển hóa • Nhóm thứ hai cầu khuẩn Gram dương (Rhodococci) phẩy khuẩn (Coryne) • Những vi khuẩn tạo axít mycolic bề mặt tế bào axít béo bị ester hóa thành peptidoglycan – thành phần thành tế bào • Các lồi vi khuẩn có khả sinh tổng hợp 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 cơng hợp chất hydrocarbon béo vịng béo địi hỏi có oxy phân tử • Hai dạng enzyme tham gia vào trình phản ứng monooxygense hay dioxygenase tùy thuộc vào chất chất loại enzyme tạo vi sinh vật • Sản phẩm phân hủy liên quan đến tăng trưởng CO2, nước sinh khối • Sinh khối tiếp tục bị khống hóa sau kết thúc q trình phân hủy chất nhiễm ngồi mơi trường • Các hợp chất n-alkans dễ dàng bị phân hủy ngay, hydrocarbon mạch ngắn (< C9) gây độc cho hầu hết vsv lại dễ dàng bay từ vị trí bị nhiễm • Cơ chế oxy hóa hợp chất alkan chia làm kiểu: Một đầu carbon (Monoterminal) Hai đầu carbon (Diterminal) • Một đầu chế chủ đạo: tạo nên hợp chất rượu  aldehyde axít béo  acetyl-CoA • Các hydrocarbon có số carbon lẻ: propionyl-CoA  succinylCoA • Các axít béo có chuỗi carbon sinh lý bổ sung trực tiếp cho cấu trúc lipid màng tế bào • Oxy hóa kiểu áp cuối (Subterminal) thường xảy hydrocarbon có C3-C6 dài tạo thành rượu bậc chuyển sang dạng keton • Cometabolism dạng chuyển hóa chất khơng có giá trị dinh dưỡng có mặt chất sinh trưởng dạng phổ biến vi sinh vật • Là sở chuyển hoá sinh học (bioconversion) để chuyển chất thành chất có cấu trúc hóa học khác • Một vi sinh vật sinh trưởng nguồn chất có khả oxi hóa chất thứ hai (co-substrate) Cơ chất thứ hai khơng bị đồng hóa Phân hủy trichloroethylen (TCE) theo sản phẩm cơ chế đồng chuyển hóa hệ enzym chất cho lồi vi sinh vật khác có metan monooxygenase vi khuẩn hỗn hợp vi sinh hóa dưỡng metan Phân hủy chất ô nhiễm bền phối hợp vi khuẩn hiếu khí kỵ khí • Về mặt ngun tắc, tính bền vững hợp chất nhiễm hữu tăng lên với mức độ halogen hóa • Thay halogen, nitơ hay lưu huỳnh vòng thơm kèm với tăng lực điện tử Những hợp chất kháng lại lực enzym oxygenase vi khuẩn hiếu khí • Những chất tồn bền vững điều kiện hiếu khí bao gồm PCBs (Polychlorinated biphenyls), dioxins (đa vòng chứa clo) vài loại thuốc bảo vệ thực vật DDT Lindan • Vi khuẩn kị khí đóng vai trị quan trọng việc khử hợp chất xenobiotic chứa clo Khử halogen bước phân huỷ hợp chất bền chứa nhiều halogen vi khuẩn kị khí Sau trình khử làm giảm bậc halogen, trở nên dễ dàng vơ hóa vi khuẩn hiếu khí CÁC KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA NẤM 3.1 Sự chuyển hóa chất nhiễm hữu vi nấm • Nhóm vi nấm gồm nấm men nấm mốc Về mặt phân loại chúng thuộc nhánh ascomycetous, deuteromycetous zygomycetous • Nấm men thường thường mọc thành tế bào đơn dạng tiền sợi, nấm mốc mọc đặc trưng dạng sợi có vách ngăn thực • Vi nấm bám trụ sinh trưởng nhiều nơi khác nhau, vài loài dạng đặc trưng vi sinh vật đất (Aspergillus, Penicillium, Trichodema, Candida, Trichosporon) Các hydrocarbon béo • Nấm men có khả phân huỷ sinh học hợp chất béo dầu thô sản phẩm dầu mỏ, C10-C20 thích hợp với hầu hết vi nấm • Nấm men phân huỷ n-alkan có Candida lipolytica, Candida tropicalis, Rhodotorula rubra Aureobasidion (Trichosporon) pullulans…Nấm mốc có Cuninghamella blakesleeana, Aspergillus niger Penicillium frequentans • Hydrocarbon mạch ngắn (n.C5-C9) có độ độc cao, độc tính thêm vào hydrocarbon mạch dài: - Candida sinh trưởng n-octan có mặt 10% pristane - Penicillium frequentans sử dụng hợp chất n-alkan chứa halogen loại bỏ halogen hồn tồn • Hydrocarbon béo khơng tan nước, nấm tiết chất hoạt động bề mặt để làm nhũ hố hydrocarbon • Vi nấm khơng thể sử dụng alkan mạch nhánh hay mạch vòng no nguồn carbon lượng • Sản phẩm cuối oxit carbon (CO2) chu trình chuyển hố tricarbocylic axit (Krebs) Các hợp chất vịng thơm • Nấm mốc nấm men có khả sử dụng hợp chất hydrocarbon thơm làm chất để sinh trưởng • Khả chuyển hố hợp chất vịng thơm theo kiểu Đồng chuyển hố (co-metabolic) • Penicillium frequentants: - Phenol chuyển hố hồn tồn thành sinh khối, khí carbonic nước - Phenol chứa clo thành dạng catechol (như sản phẩm cuối cùng) 3.2 Hệ thống enzyme phân hủy lignin • Cellulose lignin dạng hợp chất carbon vịng thơm phổ biến • Lignin chất keo gắn chặt mạch cellulose hermicellulose, ngăn cản vi sinh phân huỷ gỗ bảo vệ hợp chất đường dễ bị phân hủy • Nấm đảm có hệ thống enzyme phân huỷ lignin hiệu quả, gọi tên nấm trắng hoại gỗ (white rot fungi) • Tiêu biểu Trametes versicolor, Pleurotus ostreatus, Nematoloma flrowardii loài phân huỷ rác thải Agaricus bisporus, Agrocybepraecox Stropharia coronilla • Lignin phân hủy khơng nguồn carbon lượng để nấm sinh trưởng Nguyên lý phân hủy đồng chuyển hóa (cơ chất sinh trưởng hầu hết chất đường sinh từ phản ứng thủy phân hemicellulose xúc tác enzym) • Một số enzym dạng oxydoreductase (enzyme làm phân rã lignin): peroxidase laccase Những enzym xúc tác công lignin theo chế khơng đặc trưng CÁC KHÍA CẠNH TỔNG QT CỦA CÁC Q TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ • Xảy chậm không hiệu với số dạng chất bền vững định • Trong trình xử lý nước thải, trình phân hủy kị khí kinh tế so với q trình hiếu khí: lượng, khí sinh học (biogas: CH4, CO2) sinh khối • Các chất hữu bị phân hủy mà khơng cần tới oxy • Dùng xử lý nước thải có hàm lượng phenol cao, tránh tạo thành sản phẩm thứ cấp trùng ngưng polyphenols CÁC PHẢN ỨNG CỦA SỰ PHÂN HỦY KỴ KHÍ 5.1 Sự phân hủy hydrocarbon • Các hydrocarbon béo bão hịa bị cơng sinh học cách chậm chạp mơi trường khơng có oxy • Chủng vi khuẩn kị khí oxy hóa alkan đặc biệt hoạt động với hydrocarbon mạch dài (C12 - C20) mạch trung bình (C6 – C16) sử dụng sulphát nitrát làm chất nhận điện tử • Phản ứng carbon áp cuối tạo nên phân tử fumarát dạng trung gian alkyl succinát • Các hydrocarbon khơng bão hồ bị hydrát hóa tạo thành rượu tương ứng sau bị phân hủy hồn tồn Q trình phân hủy khơng hồn tồn tạo thành dạng dẫn xuất mạch nhánh bão hòa Sự phân hủy chất hữu chứa halogen • Khử halogen, mặt sở thơng qua phản ứng oxy hố, thuỷ phân, khử Đối với vi khuẩn kị khí phản ứng khử halogen • Phản ứng khử loại bỏ halogen: điện tử xuất phát từ phân tử hydrogen, formate hay chất hữu phức tạp chuyển đến chất chứa clo để tạo thành chất hữu dạng khử ion Clo (Cl-) • Một số trường hợp, phản ứng oxi hóa khử dạng hình thành lượng chuyển hố thơng qua chuỗi hơ hấp • Sự phân huỷ kị khí áp dụng để xử lý số chất thải hữu cơ, sản phẩm thường CH4 CO2, sử dụng làm lượng làm chất sở cho trình sinh tổng hợp • Q trình phân huỷ kị khí xảy mơi trường thiếu khí, vậy, cần phải nghiên cứu nguy hợp chất tổng hợp sức khoẻ người mơi trường • Những hợp chất nhân thơm bị phân huỷ kị khí hiệu cấu trúc có chứa nhóm thế: carboxyl, hydroxyl, methoxyl, amino, methyl • Sự phân huỷ kị khí hợp chất béo thơm chứa halogen bị khử loại halogen hiệu hiếu khí, đặc biệt hợp chất chứa nhiều halogen HẾT BÀI ...BÀI 2: XỬ LÝ CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ KHÓ PHÂN HỦY GIỚI THIỆU CÁC NGUYÊN TẮC CỦA PHÂN HỦY BỞI VI KHUẨN CÁC KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA NẤM CÁC KHÍA CẠNH TỔNG QUÁT CỦA CÁC Q TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ CÁC... tế bào • Các lồi vi khuẩn có khả sinh tổng hợp 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 cơng hợp chất hydrocarbon... 2 CÁC NGUN TẮC CỦA Q TRÌNH PHÂN HỦY BỞI VI KHUẨN 2. 1 CÁC VI KHUẨN PHÂN HỦY HIẾU KHÍ ĐIỂN HÌNH • Phần lớn vi khuẩn phân hủy chất ô nhiễm hữu môi trường nhiễm giàu oxy lồi vi khuẩn hóa dưỡng hữu