VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Trang 1  TIỂU LUẬN VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Trang 2 MỤC LỤC MỤC LỤC 2 I CHU TRÌNH NITO 3 1 GIỚI THIỆU 3 2 VI SINH VẬT TRONG CHU TRÌNH NITO 4 2.1 SỰ CỐ ĐỊNH N ( NITROGEN FIXATION) 4 2.1.1 VI SINH VẬT CỐ ĐỊNH NITO 5 2.1.2 CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH CỐ ĐỊNH NITƠ PHÂN TỬ: 7 2.2 SỰ ĐỒNG HÓA NITO ( ASSIMILATION) 7 2.3 SỰ KHOÁNG HÓA NITO ( AMMONIFICATION) 7 2.4 QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA 8 2.4.1 KHỬ NITRAT HÓA ( DENITRIFICATION) 10 2.4.2VI SINH VẬT CÓ TRONG QUÁ TRÌNH KHỬ NITRAT HÓA 10 2.4.3 ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC. 12 2.4.4 TÁC ĐỘNG CỦA CON NGƯỜI VÀO CHU TRÌNH NITO - Ngày nay con người can thiệp rất mạnh vào chu trình Nitơ bằng cách sản xuất các loại phân đạm như ure CO(NH 2 ), amoni (NH 4 ) 2 SO 2 , NH 4 Cl, NH 4 NO 3 Kết quả của việc sử dụng nhiều phân đạm là tăng năng suất cây trồng nhưng hệ quả của nó để lại là gây ô nhiễm nước, đất, gây ô nhiễm thức ăn cho bản thân con người qua hiện tượng tích lũy các loại đạm vô cơ trong thực vật, động vật. 14 VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Trang 3 I CHU TRÌNH NITO 1 GIỚI THIỆU - Khí nitơ chiếm 78% trong khí quyển. Tuy vậy nitơ thường tỏ ra thiếu thốn đối vớicác sinh vật. Phân tử nitơ N2 gồm một cặp nguyên tử liên kết cộng hoá trị rất bền vững.Năng lượng của liên kết 3 này khoảng 225 kcal/M, muốn phá vỡ chúng cần phải có nhiệt độ cao khoảng 1000 – 1100 o C, áp suất 1000atm và các chất xúc tác khác. - Chỉ có một ít sinh vật tiết ra enzym cần thiết để phân rã các phân tử ấy mới có khả năng dùng nitơ ở dạng khí như thế, mọi sinh vật khác buộc phải nhận N2 ở dạng đã được cố định trong các dạng hợp chất. - Trong trường hợp của thực vật, ion nitrat NO 3 là dạng có ích nhất, chúng cũng có thể sử dụng ion ammoniac NH 4 hay urea CO(NH 2 ) 2 thay thế. - Động vật và các cơ thể sống bậc cao khác thường cần nitơ ở dạng hợp chất hữu cơ ví dụ như axit amin. VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Trang 4 2 VI SINH VẬT TRONG CHU TRÌNH NITO - Trong chu trình nito vi sinh vật đóng vai trò quan trọng và được chia làm 5 giai đoạn: cố định N, đồng hóa N, khoáng hóa N, nitrat hóa và khử nitrat hóa. 2.1 SỰ CỐ ĐỊNH N ( NITROGEN FIXATION) - Khả năng cố định đạm sẽ không thể nếu như không có mặt của các vi sinh vật cố định đạm. - Cây họ đậu, tảo lam cũng có khả năng cố định đạm. Đồng hành với công việc này, các nhà khoa học chế tạo phân vi sinh vật cố định đạm cho cây họ đậu (phân Nitragin) và cả cây hòa thảo mà đặc biệt là cây lúa (phân Azogin). VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Trang 5 2.1.1 VI SINH VẬT CỐ ĐỊNH NITO Vi khuẩn nốt sần: - Vi khuẩn nốt sần: thuộc loại hiếu khí không tạo bào tử có thể đồng hóa nhiều nguồn cacbon khác nhau, pH thích hợp: 6,5-9,5, nhiệt độ phát triển thích hợp: 24-26 o C. - Phân loại vi khuẩn nốt sần có nhiều ý kiến chưa thống nhất: + Theo Todorovic chia vi khuẩn nốt sần ra 2 loài: Rhizibiomonas leguminosarum và Rhizobacterum leguminosrum + Theo Bergli thì giống Rhizobiumbao gồm 6 loài vi khuẩn nốt sần: Rh.leguminosarum, Rh.phaseoli, Rh.Trifolii, Rh.lupini, Rh.sapnicum, Rh.meliloti. - Cơ chế tạo thành nốt sần: + Vi khuẩn nốt sần xâm nhập vào rễ cây họ đậu thông qua lông hút đôi khi thông qua vết thương. Một số cây họ đậu tiết ra xung quanh rễ những chất có tác dụng kích thích những vi khuẩn tương ứng với mình phát triển mạnh hơn (để có thể nhiễm vào thực vật, vi khuẩn phải đạt mật độ tế bào 104/gam đất. + Vi khuẩn sau khi tiếp xúc với lông hút của thực vật, tạo thành dãy xâm nhập đi dần vào bên trong của rễ và xâm nhập vào nhu mô kích thích tế bào thực vật bị phân chia nhanh chóng thành tế bào mới. + Vi khuẩn đi vào tế bào chất và phân chia chuyển thành thể giả khuẩn. Giả khuẩn không phân chia được nhưng phát triển mạnh tăng nhiều ribosom, nốt sần xuát hiện. + Nốt sần thích hợp ở các điều kiện: Độ ẩm của đất: 60 - 70%; Độ thoáng khí: càng nhiều càng tốt, điều này cho thấy rễ càng sâu lượng nốt sần càng kém; pH thích hợp từ 4,6-8,0. + Phân đạm thường ức chế tạo thành nốt sần; Phân lân, kali có tác dụng tích cực; Phân canxi, magiê và các muối khác cũng có tác dụng tốt đến quá trình tạo thành nốt sần. + Chất dinh dưỡng cacbon như nước đường, rơm, rạ làm tăng khả năng xâm nhập và khả năng cố định nitơ, ngược lại những vi sinh vật cho kháng sinh sẽ gây ức chế vi khuẩn Rhizobium. Vi khuẩn hiếu khí sống tự do thuộc giống Azotobacter và Beiferinckia: - Azotobacter: chủ yếu có 4 loài VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Trang 6 + Azotobacter chroocuccum: kích thước 3,1x2,0µ khi còn non có khả năng di động, khi già có sắc tố màu nâu đến màu đỏ, không khuyếch tán vào môi trường. + Azotobacter beijerincki: kích thước 3,1x2,0µ không di động, khi già có sắc tố màu vàng đến màu nâu sáng, không khuyếch tán vào môi trường. + Azotobacter Vinelandi: kích thước 3,4x1,5µ có khả năng di động, sắc tố màu vàng lục đến huỳnh quang, khuyếch tán vào môi trường. + Azotobacter agilis: kích thước 3,3x2,8µ có khả năng di động, sắc tố màu lục, huỳnh quang, khuyếch tán vào môi trường. Azotobacter làm tăng cường nguồn thức ăn cung cấp cho cây trồng, kích thích khả năng tăng trưởng, nâng cao tỷ lệ nảy mầm và độ phát triển của mầm (vì nó tiết ra môi trường thiamin, a.nicotinic, a.pantotenic, piridoxin, biotin, ) và có khả năng tiết ra một số chất chống nấm. Chế phẩm Azotobacterin là dịch Azotobacter cho hấp thụ trong than bùn (hoặc các loại đất giàu hữu cơ đã trung hòa và bổ sung photpho, kali). - Beiferinckia: là loài hiếu khí, cố định nitơ giống Azotobacter nhưng có khả năng chịu chua cao hơn. Gồm có 3 nhóm: + B.Indica: kích thước tế bào 0,5-1,5 x 1,7-3,0µ có khả năng di động hoặc không di động, khi già có sắc tố màu đỏ đến màu nâu, có tốc độ cố định nitơ nhanh + B.fluminensis: kích thước tế bào 1,1-1,5 x 3,0-3,5µ có khả năng di động, sắc tố màu nâu tối, tốc độ cố định nitơ chậm. + B.derxii: kích thước tế bào 1,5-2,0 x 3,5-4,5µ không di động, sắc tố màu lục huỳnh quang. Vi khuẩn kỵ khí sống tự do thuộc Clostridium: - Loài được nghiên cứu nhiều nhất là Clostridium pasteriaum. - Ngoài ra còn có các loài Clostridium khác như Cl.butylicum, Cl. Bacterinkin, Cl. Aceticum, - Kích thước tế bào 2,5-7,5 x 0,7-1,3µ có thể riêng rẽ hoặc xếp đôi hoặc thành chuỗi ngắn. - Có khả năng di động khi còn non, có khả năng tạo bào tử, bào tử có kích thước lớn hơn tế bào và có thể nằm ở đầu hoặc ở giữa tế bào. Tảo lam sống tự do và tảo lam cộng sinh trong bèo hoa dâu: - Hiện nay đã phát hiện nhiều loài tảo lam sống tự do trong đất và trong nước có khả năng cố định nitơ. - Có một số sống cộng sinh với thực vật, trong đó đáng chú ý nhất là tảo cộng sinh trong bèo hoa dâu (tảo này có tên là Asiabaena azollae). VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Trang 7 - Đa số các loài tảo phát triển tốt trong môi trường trung tính hoặc kiềm, hiếu khí, thích hợp ở nhiệt độ 28-30 o C, cần khí CO 2 2.1.2 CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH CỐ ĐỊNH NITƠ PHÂN TỬ: - Quá trình cố định nitơ phân tử theo 2 hướng cơ bản: Con đường khử và con đường oxy hoá. - Con đường khử theo chuỗi biến hoá: N2 → HN=NH → H2N-NH2 → NH3 → NH4OH Con đường oxy hoá: N2 → N2O → (HNO)2 → NH4OH Qua 2 hướng đó, người ta thu được kết quả sau: - Nếu nồng độ Oxy nhiều sẽ ức chế quá trình cố định nitơ phân tử. - Hiệu suất cố định nitơ phân tử của những vi sinh vật kỵ khí thường cao hơn những vi sinh vật hiếu khí. - Tìm thấy hợp chất loại khử khi nuôi các vi sinh vật cố đinh nitơ phân tử. Qua đó cho thấy con đường khử có nhiều khả năng xảy ra hơn. 2.2 SỰ ĐỒNG HÓA NITO ( ASSIMILATION) - Các vi khuẩn dị dưỡng và tự dưỡng sử dụng nitrat hóa và đồng hóa nó thành amon. - Trong các công trình xử lý nước thải sự đồng hóa chịu trách nhiệm loại bỏ nito. - Các tế bào thực vậy và tế bào tảo thích xử dụng nito ở dạng amon. -Trong đất, các phân bón ở dạng amon được ưu thích hơn là phân bón nitrat. Tế bào sẻ chuyển hóa nitrat hoạc amon thành protein thành yếu tố giới hạn. 2.3 SỰ KHOÁNG HÓA NITO ( AMMONIFICATION) - Sự khoáng hóa nito là sự chuyển hóa các hợp chất nito hữu cơ thành các dạng vô cơ. - Sau khi các sinh vật chết, vi sinh vật phân giải protein và nitơ hữu cơ chuyển thành nitơ khoáng. -Trong đất, chất hữu cơ trước hết được biến thành mùn và một phần sẽ thành các dạng amoni hay nitrit. VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Trang 8 - Thoạt đầu, amoni thành nitrit dưới tác động của các vi khuẩn hiếu khí Nitrosomonas, sau đó, qua một quá trình oxi hoá nữa, các nitrit chuyển thành nitrat do các vi khuẩn hiếu khí Nitrobacter. - Nitơ dưới dạng nitrat là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hoá nitơ hữu cơ trong đất, là dạng thích hợp nhất cho cây trồng. Nitrat dễ hoà tan trong nước nên dễ bị rửa trôi, nhất là trong mùa mưa lớn. - Sự khoáng hoá nitơ, sự mất nitơ do rửa trôi và thực vật hấp thụ nitơ dưới dạng nitrat và hiện tượng khử nitơ NH 4 → NO 3 → NO 2 → NO → N 2 sẽ làm nghèo dự trữ nitơ trong đất và ruộng lúa nếu không có sự bù lại. Trong trồng trọt thâm canh, phải cung cấp đủ nitơ cho cây trồng bằng các loại phân bón để đạt năng suất cao. - Quá trình này được thực hiện bởi rất nhiều loại vi sinh vật: vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm… 2.4 QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA - Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa sinh hóa nitơ của các muối amon, đầu tiên thành nitrit và sau đó thành nitrat dưới tác dụng của vi sinh vật hiếu khí trong điều kiện thích ứng (có oxy và nhiệt độ trên 4 o C). - Hầu hết các vi khuẩn nitrate hóa là các loại vi khuẩn tự dưỡng, thuộc họ Nitrobacteraceae, lấy năng lượng trực tiếp từ quá trình chuyển hóa hóa học NH 3 thành NO 3 - hoặc từ NO 2 - thành NO 3 - . Những vi khuẩn này sử dụng CO 2 làm nguồn carbon chính và cần oxy để sinh trưởng. - Những vi khuẩn có ích này thường là vi khuẩn Gram dương (Gram +), do đó bạn nên thận trọng khi sử dụng các thuốc tiêu diệt vi khuẩn Gram + như Erythromycin (Maracyn), Ampicillin, hay Penicillin. - Sự nitat hóa là sự chuyển hóa amon thành nitrat bởi hoạt động của vi sinh vật. - Vi sinh vật tham gia quá trình nitrat hóa gồm có 2 nhóm:  Vi khuẩn nitrit ( Nitrosomonas): oxy hóa amoniac thành nitrit hoàn thành giai đoạn thứ nhất. VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Trang 9  Vi khuẩn nitrat ( Nitrobacter ): oxy hóa nitrit thành nitrat, hoàn thành giai đoạn thứ hai. Vi khuẩn nitrosomonas Nitrobacter - Các phản ứng được biễu diễn qua các phương trình sau: 2NH 3 + 3O 2 nitrosomonas 2HNO 2 + 2H 2 O (1) 2HNO 2 + O 2 nitrobacter 2HNO 3 (2) hoặc: (NH 4 ) 2 CO 3 + 3O 2 = 2HNO 2 + CO 2 + 3H 2 O (1) 2HNO 2 + O 2 = 2 HNO 3 (2) - Ở phương trình (1) + (2) : cứ 214 = 28g N cần 816 = 128g ôxy. 1g N cần 128/28 = 4,57g ôxy. - Trong quá trình khử nitrat của nitrit (N 2 O 5 ) thường phóng ít O2 hơn vì một phần O 2 cần để tạo ra CO 2 + H 2 O. Tức là 2 nguyên tử N giải phóng 3 nguyên tử ôxy : từ (N2O5) 1 g N giải phóng được (16 5)/ (14 2) = 2,85 g ôxy. - Tốc độ của giai đoạn thứ nhất xảy ra nhanh gấp 3 lần so với giai đoạn hai. VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Trang 10 - Bằng thực nghiệm người ta đã chứng minh rằng lượng oxy tiêu hao để oxy hóa 1mg nitơ của muối amon ở giai đoạn tạo nitrit là 343 mg O 2 , còn ở giai đoạn tạo nitrat là 4,5 mg O 2 . Vì thế tốc độ tăng trưởng của Nitrobacter cao hơn Nitromonas, do đó giai đoạn tốc độ giới hạn trong quá trình nitrat hóa là sự chuyển hóa amon thành nitrit bởi Nitrosomonas. - Sự có mặt của nitrat trong nước thải phản ánh mức độ khoáng hóa hoàn thành các chất bẩn hữu cơ. - Trước tiên nó phản ánh mức độ khoáng hóa các chất hữu cơ. Nhưng quan trọng hơn là quá trình nitrat hóa tích lũy được một lượng oxy dự trữ có thể dùng để oxy hóa các chất hữu cơ không chứa nitơ khi lượng oxy tự do (lượng oxy hòa tan) đã tiêu hao hoàn toàn cho quá trình đó. 2.4.1 KHỬ NITRAT HÓA ( DENITRIFICATION) - Quá trình khử nitrat là quá trình tách oxy khỏi nitrit, nitrat dưới tác dụng của các vi khuẩn yếm khí (vi khuẩn khử nitrat). Oxy được tách ra từ nitrit và nitrat được dùng lại để oxy hóa các chất hữu cơ. Lượng oxy được giải phóng trong quá trình khử nitrit N 2 O 3 là 2,85 mg oxy/1mg nitơ. Nitơ được tách ra ở dạng khí sẽ bay vào khí quyển. 2.4.2VI SINH VẬT CÓ TRONG QUÁ TRÌNH KHỬ NITRAT HÓA [...].. .VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Pseudonomonas Bacillus Spirillum Hyphomicrobium Trang 11 VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Agrobacterium Acinetobacter 2.4.3 ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC - Trong nước mặt cũng như nước ngầm nitơ vô cơ tồn tại ở 3 dạng chính l : ion amoni ( NH4+ ), nitrit ( NO2- ) và nitrat ( NO3-) Dưới tác động của nhiều yếu tố hóa lý và do hoạt động của một số sinh vật các dạng nitơ này... với NH4 +: nước mặt là 0, nước ngầm là 3mg/l (cũng có quy định chung là 0,05mg/l; đối với NO2- là 0, đối với NO3- là 10mg/l) - Dưới đây ta sẽ xem các biện pháp khử các hợp chất trên trong cung cấp nước sạch phục vụ sinh hoạt, ăn uống Phương pháp khử Ammonium NH4 +: Trang 12 VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG - Có thể khử NH4+ ra khỏi nước bằng phương pháp hóa lý hoặc phương pháp sinh học Phương pháp hóa l : - Khi... ion: Trang 13 VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG - Nước có hàm lượng cặn NO3-+ 2H+ + H2O Các điều kiện cần thiết như sau: - Cấp đủ lượng Oxy để oxy hóa NH4+ thành NO3- Có sẵn hoặc cấp thêm phốtpho tạo điều kiện cho vi khuẩn phát triển - pH tốt nhất = 1m, cường độ tưới 5- 10m3/m2.h.ion, NH4+ được khử ra khỏi nước dưới dạng khí amoniăc NH3 Lượng dư < 1mg/l NH4+ có thể khử bằng clo kết hợp với quá trình xử lý nước thành Cloramonic HClO + NH3 = NH2Cl+ H2O - Cloramonic có tác dụng kéo dài thời gian tiệt trùng Phương pháp sinh học: - Do quá trình hoạt động vi khuẩn Nitrosomonas oxy hóa... giảm sức đề kháng của con người - Nitơ oxit cũng hòa tan hơi nước trong không khí và tạo thành mưa acid, bào mòn đá, các vật dụng bằng kim loại cũng như nhà cửa - Năm 1967 một cây cầu trên sông Ohio bị sập do mưa acid, khiến 46 người chết Không chỉ thế, ngay đến con người, thực vật (bao gồm cả cây trồng của chúng ta) cũng gặp nguy hiểm Mối liên hệ giữa mưa acid, bệnh Alzheimer và các vấn đề về não . VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Trang 1  TIỂU LUẬN VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Trang. những vi sinh vật cho kháng sinh sẽ gây ức chế vi khuẩn Rhizobium. Vi khuẩn hiếu khí sống tự do thuộc giống Azotobacter và Beiferinckia: - Azotobacter: chủ yếu có 4 loài VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG. 2.4. 2VI SINH VẬT CÓ TRONG QUÁ TRÌNH KHỬ NITRAT HÓA VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG Trang 11 Pseudonomonas Bacillus Spirillum Hyphomicrobium VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG