ĐỀ CƯƠNG MÔN HỌC VI SINH MÔI TRƯỜNG Giải thích chu trình carbon vai trò vi sinh vật việc chuyển hóa tinh bột cellulose? GIẢI THÍCH CHU TRÌNH CACBON CO2 kk  TV hấp thu với NLMT nước thực trình quang hợp,một số VSV nhận CO2 thực trình hóa tổng hợp  tạo hợp chất hữu  dd cho ĐV ĐV hô hấp thải CO2 vào kk Khi chúng chết VSV phân giải chúng thành hợp chất dầu mỏ  khai thác sử dụng công nghiệp  thải CO2 vào kk TV hô hấp  thải CO2 vào kk Và chết phân giải tạo nhiên liệu  khai thác sử dụng công nghiệp  thải CO2 vào kk VSV chết sản phẩm thải phân giải tạo nhiên liệu  khai thác sử dụng công nghiệp  thải CO2 vào kk CO2 thải vào kk tiếp tục vòng tuần hoàn VAI TRÒ CỦA VSV TRONG CHUYỂN HÓA TINH BỘT Tinh bột tự nhiên Tinh bột chất dự trữ chủ yếu thực vật, đặc biệt có củ Gồm thành phần amylose amylosepectin Cơ chế phân giải tinh bột VSV phân giải tinh bột nhờ tiết hệ enzyme amylase gồm có enzyme – α – amylase Tác động vào mối liên kết 1,4 glucoside phân tử tinh bột Bởi α – amylase gọi endoamylase • Tinh bột cắt thành nhiều đoạn ngắn gọi dịch hóa tinh bột • Sản phẩm sụ dịch hóa thường đường carbon gọi maltotriose – β – amylase β – amylase có khả cắt đứt liên kết 1,4 glucoside cuối phân tử tinh bột gọi exoamylase sản phẩm β – amylase thường đường disaccharide maltose – Amylose 1,6 – glucosidase có khả cắt đứt mối liên kết 1,6 glucoside chổ phân nhánh amylosepectin – Glucoamylase phân giải tinh bột thành glucose oligosacharide Enzyme có khả phân cắt loại liên kết 1,4 và1,6 glucoside VSV phân giải tinh bột • Vi nấm: Aspergillus, Fusarius, Rhizopus • Vi khuẩn: Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas • Xạ khuẩn VAI TRÒ CỦA VSV TRONG CHUYỂN HÓA CELLULOSE Cellulose tự nhiên Là thành phần chủ yếu màng tế bào thực vật Cellulose tích lũy nhiều đất sản phẩm tổng hợp thực vật thải ra, cối chết từ hoạt động người  nhờ VSV phân giải cellulose Cơ chế phân giải cellulose VSV Được phân giải nhờ vào hệ enzyme cellulase gồm có enzyme khác – Enzyme C1 (cellobiose dehydrolase): cắt liên kết hydro biến cellulose có cấu trúc không gian  cellulose vô định hình – Endoglucanase: cắt liên kết β - 1,4 – glucoside tạo thành chuỗi dài – Exoglucanase: cắt chuỗi thành cellobiose – β - glucosidase: thủy phân cellobiose thành glucose VSV phân giải cellulose Vi nấm: Tricoderma (viride, reesei), Aspergillus, Fusarium Mucor • Vi khuẩn : Bacillus subtilis, Clostridium, Ruminococcus • Xạ khuẩn: Streptomyces Giải thích chu trình nitơ vai trò vi sinh vật trình chuyển hóa nitơ (các trình amon hóa, nitrate hóa, phản nitrate hóa cố định nitơ) Trong tự nhiên, N tồn nhiều dạng khác Trong thể sinh vật N tồn dạng phân tử hữu protein, aa _ Sinh vật chết  VSV hoại sinh phân giải  aa _ Các aa  NH3 NH4+  vi khuẩn amon hóa _ NH4+  NO3- vi khuẩn nitrate hóa _ NO3- N2  vi khuẩn phản nitrate hóa _ N2 các hợp N hữu  vi khuẩn cố định đạm _ Nếu hoạt động nhóm ngừng lại, toàn chuyển hóa vòng tuần hoàn bị ảnh hưởng nghiêm trọng Quá trình amon hóa Sự amon hóa urê Urea có thành phần nước tiểu người động vật Urea chứa tới 46.6% nitrogen, nguồn dd đạm tốt trồng Tuy nhiên thực vật đồng hóa trực tiếp urea mà phải qua trình amon hóa Quá trình amon hóa urea chia làm giai đoạn Giai đoạn đầu tác dụng enzyme urea tiết VSV, urea bị thủy phân tạo thành muối carbonate amoni Giai đoạn carbonate amoni chuyển hóa thành NH3, CO2 H2O Trong nước tiểu có acid uric, tồn đất thời gian acid uric bị phân giải thành ureavà acid tartronic Sau urea tiếp tục bị phân giải thành NH3 Nhóm VSV phân giải urea acid uric có khả amon hóa cyanamid calci loại phân bón hóa học Chất sau vào đất bị chuyển hóa thànhurea sau qua trình amon hóa chuyển thành NH3 Nhiều loại vi khuẩn có khả amon hóa ure chúng tiết enzym urease Đa số VSV phân giải ure thuộc nhóm hiếu khí kị khí không bắt buộc, chúng ưa pH trung tính kiềm Sử dụng ure làm thoáng đất kết hợp vôi, tro Quá trình amon hóa protein Protein thành phần quan trọng tế bào Prtein chứa tới 15% - 17% nitrogen, trồng hấp thu trực tiếp protein mà phải qua phân hủy VSV VSV phân giải protein có khả tiết enzym protease bao gồm proteinase peptidase Các acid amin bị deamin hoá vi sinh vật nhờ enzyme deaminase, sau tạo sản phẩm cuối amôn _ Các acid amin có vòng tryptophan, phân giải tạo thành hợp chất có mùi thối indole skatole _ Các acid amin chứa S methionine, cystein, vi sinh vật giải phóng H2S, chất độc trồng _ Một số hợp chất amin sinh trình amôn hoá có tác dụng độc đôi với người động vật Ví dụ Aladeaminose histamin, armatin…đó nguyên nhân bị nhiễm độc thức ăn thịt cá thiu thối thịt hộp để lâu (ô nhiễm thực phẩm) Tỉ lệ C:N dất quan trọng dối với nhóm vi sinh vật phân huỷ protein _ Nếu tỉ lệ cao, đất đạm vi sinh vật tranh chấp thức ăn đạm trồng, chúng phân huỷ hấp thu nhiêu _ Nếu tỉ lệ C:N thấp, đạm dư thừa, trình phân huỷ chậm lại, trồng đạm khoáng để hấp thu _ Tỉ lệ C:N 20 thích hợp cho trình amôn hoá protein, có lợi trồng Nhiều VSV có khả amon hoá protein : vk, vi nấm, xạ khuẩn Quá trình nitrate hóa Sau trình amon hóa NH3, phần phản ứng với anion đất tạo thành muối amon Một phần muối amon trồng hấp thụ, phần lại oxi hóa thành nitrate gọi trình nitrate hóa Nhóm VSV thực trình gọi chung vi khuẩn nitrate hóa bao gồm nhóm tiến hành qua giai đoạn Là trình oxi hóa NH4+ thành NO2NH4+ +3/2O2 NO2- + H2O + 2H + Q Nhóm vk nitrate hóa gồm chi khác nitrosomonas, nitrosocystis, notrosolobus notrosospira Là trình oxi hóa NO2- thành NO3NO2- + ½ O2  NO3- + Q _ Nhóm vi khuẩn tiến hành oxy hoá NO2- thành NO3- bao gồm chi khác nhau: Nitrobacter, Nitrospira Nitrococcus Quá trình nitrate hóa khâu quan trong vòng tuần hoàn nitrogen nông nghiệp co nhiều bất lợi Quá trình phản nitrate hóa Là trình hợp chất đạm dạng nitrate đất dễ bị khử biến thành nitrogne phân tử Phản ứng khử NO3- thành N2 xảy điều kiện kị khí _ Nhóm vi sinh vật thực trình phản nitrate hoá phân bố rộng rãi đất Thuộc nhóm tự dưỡng hoá có Thiobacillus denitrificans, Hydrogenomonas agilis… Thuộc nhóm dị dưỡng có Pseudomonas denitrificans, Micrococcus denitrificanas, Bacillus licheniformis… _ nông nghiệp trình phản nitrate hoá trình bất lợi làm cho đất đạm Quá trình cố định nitrogen Quá trình cố định nitơ sinh học trình khử N2 thành NH3 tác dụng men nitrogenase sinh vi sinh vạt NH3 hình thành đến mức độ kìm hãm hoạt động nitrogenase, yếu tố điều hoà hoạt tính enzyme Tại nốt sần, vi khuẩn tiến hành trình cố định nitơ, sản phẩm cố định phần sử dụng cho vi khuẩn, phần sử dụng cho _ Rhizobium Vi khuẩn nốt sần thuộc loại vk hiếu khí, ưa pH trung tính kiềm, thích hợp với nhiệt độ 28 – 30 0C, độ ẩm 60- 80% _ Chúng có khả đồng hoá nguồn carbon khác loại đường đơn,đường kép, acid hữu cơ,glycerin v.v _ Trong đất có hai họ vi khuẩn chủ yếu: Azotobacter, Clostridium Azotobacter môi trường nhân tạo có đặc tính đa hình: _ Khi non chúng có dạng trực khuẩn hình que, có tiên mao, có khả di động _ Khi già Azotobacter khả di động, tế bào chuyển thành dạng hình cầu, xung quanh bao bọc lớp vỏ nhày _ Clostridium loại vi khuẩn kị khí sống tự đất có khả hình thành bào tử loài phổ biến đất Clostridium pasteurianum _ Khi non có khả di động tiên mao _ Khi già khả di động Khi hình thành bào tử thường có hình thoi bào tử hình thành lớn kích thước tế bào Bùn hoạt tính vai trò vi sinh vật diện bùn hoạt tính? Phương pháp bùn hoạt tính • Là trình xử lý sinh học hiếu khí, vi sinh vật với mật độ cao tạo thành trộn với nước thải bể hiếu khí • Bùn hoạt tính gồm sinh vật sống kết lại thành dạng hạt dạng với trung tâm chất rắn lơ lửng • Bùn hiếu khí dạng bùn vàng nâu, dễ lắng hệ keo vô định hình bùn kỵ khí dạng dạng hạt màu đen • Những sinh vật sống bùn vi khuẩn đơn bào đa bào, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh động vật khác Những sinh vật sống bùn • vi khuẩn đơn bào đa bào • nấm men, • nấm mốc, • xạ khuẩn, • động vật nguyên sinh • động vật khác Vai trò trình làm nước thải bùn hoạt tính vi khuẩn • Gồm nhóm: Alcaligenes Chúng có khả phân giải urea, tạo NH3 làm cho pH môi trường tăng • A eutrophos có khả loại bỏ đến 99% Cadmium môi trường xử lý số kim loại nặng arsen, chrom, thủy ngân … • A feacalis chủng vi khuẩn phản nitrate có khả khử nitrate thành N2O • Một số chủng Alcaligenes có khả phân giải O - nitrobenzaldehyde • Alcaligenes sp có khả khử phenol nước thải đến 99% làm giảm 40% COD nước thải • • • • • • • • Achromobacter Có khả phân hủy pyridine hợp chất nitrogen khác vòng (NHC) Có khả phân hủy khử độc endosulfan đất Achromobacter phân lập từ đất nhiễm pentachlorophenol xử lý số hợp chất phenol Có thể chuyển hóa số kim loại nặng đất, xỉ chrom Có khả khử màu malachite green phân hủy methylhydrazine nước thải Pseudomonas P.stutzeri có khả loại nitơ từ NO3- giải phóng N2 P.stutzeri phân hủy maltose tinh bột không phân hủy gelatin Là vi khuẩn hiếu khí, phân bố rộng rãi vùng địa lý tìm thấy chủ yếu đất nước • • • • • • • • • Chúng có khả chuyển hóa, làm giảm chất độc cho môi trường hợp chất có trọng lượng phân tử cao polyethylene glycols Một vài dòng chuyển hóa hợp chất thơm naphthalene mathylnapthalenes Hai hợp chất thơm diện nhiều dầu thô, chất có tiềm gây độc Có khả giảm nitrate chuyển khí N2 Có thể ứng dụng vào xử lý môi trường nước có khả khử đạm mạnh nước thải ao cá tra Đồng Bằng Sông Cửu Long ứng dụng vào xử lý nước thải khả khử nguồn đạm nước để giảm thiểu ô nhiễm Athrobacter A crystallopoites có khả khử phân tử chrom hóa trị đất A chlorophenolicus có khả phân hủy – chlorophenol nồng độ cao chúng phân hủy hợp chất thơm bao gồm hợp chất đồng vòng hydroxybenzoate hợp chất khác vòng pyridine pycoline Arthrobacter sp H65-7 sản xuất enzyme inulase II để chuyển hóa inulin thành difructose anhydride Flavobacterium Có khả xử lý nylon – sản phẩm người tạo sản xuất enzyme nylonase Flavobacterium haoranii có khả phân hủy cypermethrin – loại thuốc diệt côn trùng, gây ảnh hưởng đến hệ thần kinh Citromonas Zooglea Có khả sinh bao nhầy xung quanh tế bào có tác dụng gắn tế bào vi khuẩn, hạt lơ lửng khó lắng, chất màu, chất gây mùi ◊ hạt cặn Mô tả giai đoạn xử lý nước thải bùn hoạt tính Quá trình xử lý nước thải bùn hoạt tính Xảy gồm giai đoạn: • Giai đoạn 1: Bùn hoạt tính hình thành phát triển • Giai đoạn 2: Sự phát triển ổn định VSV • Giai đoạn 3: Kết thúc trình làm việc aerotank Giai đoạn 1: Bùn hoạt tính hình thành phát triển Lúc này, chất chất dinh dưỡng phong phú, sinh khối bùn Theo thời gian, trình thích nghi vi sinh vật tăng, chúng sinh trưởng mạnh theo cấp số nhân, sinh khối bùn tăng mạnh Vì vậy, lượng oxy tiêu thụ tăng dần vào cuối giai ñoạn cao Tốc độ tiêu thụ oxy vào cuối giai đoạn có gấp lần giai đoạn Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu tăng dần Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định, hoạt lực enzym đạt Max kéo dài thời gian Tốc độ phân hủy chất hữu đạt Max, chất hữu bị phân hủy nhiều Tốc độ tiêu thụ oxy gần không thay đổi sau thời gian dài Giai đoạn 3: Tốc độ tiêu thụ oxy có chiều hướng giảm dần sau lại tăng lên Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu giảm dần trình Nitrat hóa amoniac xảy Sau cùng, nhu cầu tiêu thụ oxy lại giảm trình làm việc Aerotank kết thúc Phương pháp lọc sinh học kết cấu vi sinh vật màng sinh học Phương pháp lọc sinh học • Thiết bị lọc sinh học thiết bị bố trí đệm cấu phân phối nước không khí • Trong thiết bị lọc sinh học, nước thải lọc qua lớp vật liệu bao phủ màng vi sinh vật • Các vi khuẩn màng sinh học thường có hoạt tính cao vi khuẩn bùn hoạt tính Màng sinh học hiếu khí hệ vi sinh vật kỵ khí tùy nghi • Màng sinh vật phương pháp lợi dụng quần thể VSV dính vào bề mặt chất rắn để hình thành nên màng sinh vật • Có kết cấu xốp, nhiều lỗ nhỏ, diện tích bề mặt lớn ◊ có tác dụng hấp phụ mạnh • Khi màng sinh vật dày thêm, lớp màng già cỗi bị bóc thay màng Kết cấu vi sinh vật • Lớp bên lớp vi khuẩn hiếu khí trực khuẩn Bacillus • Lớp vi khuẩn kỵ khí tùy nghi Alcaligenes, Pseudomonas, Flavobacterium, Micrococus Bacillus • Lớp sâu bên màng vi khuẩn kỵ khí khử S nitrate Desulfovibrio • Lớp cuối màng động vật nguyên sinh số sinh vật khác Nêu sở lý thuyết trình xử lý kỵ khí Cơ sở lý thuyết xử lý kỵ khí • Khi bùn hoạt tính trì môi trường kỵ khí ◊ VSV sử dụng nguồn bùn dư để thực trình lên men • Sản phẩm trình lên men methane CO2 Quá trình tạo thành methane CO2 gồm có giai đoạn: – Thủy phân – Acid hóa – Acetate hóa – Methane hóa Giai đoạn 1: Thủy phân - Các đại phân tử protein, chất béo, polysaccharide phân giải thành tiểu đơn vị - Do vi sinh vật sản xuất enzyme ngoại bào - Đây trình xảy chậm bị giới hạn trình phân hủy kỵ khí Giai đoạn 2: Acid hóa - Đây trình chuyển hóa sản phẩm trình thủy phân tạo thành phân tử có trọng lượng phân tử thấp acid béo bay hơi, alcohol, aldehyde khí CO2, H2 NH3 - Giai đoạn bị ảnh hưởng chủng vi khuẩn, chủ yếu vi khuẩn kỵ khí bắt buộc - Vi khuẩn phân giải chất hữu tạo môi trường pH thấp (khoảng 4) Giai đoạn 3: Acetate hóa - Sản phẩm giai đoạn acid hóa chuyển đổi thành acid acetic, H2 CO2 - Trong trình phân hủy kỵ khí, ba giai đoạn tập hợp lại gọi lên men acid ◊ chuyển vật chất hữu thành chất thích hợp cung cấp cho trình methane hóa Giai đoạn 4: Methane hóa - Sản phẩm trình lên men acid (chủ yếu acid acetic) chuyển thành CO2 CH4 - Quá trình giải phóng lượng lượng sử dụng để giúp cho vi sinh vật kỵ khí tăng trưởng mặt số lượng - Để trì bùn hoạt tính hoạt động mức độ cao ◊ cần phải trì điều kiện môi trường thích hợp vi khuẩn methane hóa nhạy cảm với điều kiện môi trường - Bao gồm điều kiện: nhiệt độ, pH, chất độc đầy đủ thành phần dinh dưỡng Nêu phương pháp khống chế vi sinh vật nước thải? Kỹ thuật khống chế vi sinh vật nước thải Khử trùng hóa chất  Do nước thải tồn nhiều vi sinh vật gây bệnh ◊ phải tiến hành khử trùng trước thải vào môi trường  Mặc dù trình xử lý tiêu diệt phần lớn vi sinh vật gây bệnh (90 – 95%) số lượng lớn Khử trùng Chlor Cơ chế  Khi nước NH3 - Xảy phản ứng HOCl chất trung tính  khuếch tán vào tế bào vi khuẩn  phá hủy cấu trúc enzyme  tiêu diệt VSV - OCl- mang điện tích âm  khó xâm nhập vào tế bào vi khuẩn  pH nước thấp  HOCl nhiều  hiệu khử trùng tốt  Khi nước có NH3 - Xảy phản ứng - - Khi pH = – 8,5, NH2Cl NHCl2 tồn pH thấp có NHCl2  tăng khả khử trùng Khử trùng ClO2 Là thể khí màu xanh, điểm sôi 110C, ngưng kết - 590C, thể lỏng thể khí không ổn định, nồng độ không khí 10% gây nổ Ưu điểm: a pH: kiềm khả diệt khuẩn mạnh b Nhiệt độ: cao ◊ diệt khuẩn tốt c Tăng hiệu kết hợp với ozone d Có khả diệt tảo không sinh chất gây ung thư Nhược điểm: Khi cho ClO2 vào nước ◊ 50 – 70% biến thành ClO2 ClO3 e gây hại đến hồng cầu f Cản trở hấp thu Iod  cholesterol tăng lên Khử trùng khí ozone Nguyên lý khử trùng  Là chất đồng chất dị hình oxy, có khả oxy hóa mạnh 10  Có lượng cao ◊ không ổn định ◊ tự phân giải thành O2 O  O có hoạt tính mạnh ◊ có khả oxy hóa mạnh vi khuẩn, virus  O3 có khả phân giải enzyme glucosidase, phá vỡ DNA, RNA, protein, lipid, polysaccharide, làm rối loạn trình trao đổi chất Ưu điểm  Có khả diệt khuẩn mạnh, tác dụng nhanh,  Không gây phản ứng phụ, không sinh chất gây ung thư  Ozone sản xuất từ không khí nên không cần phải tốn chi phí tồn trữ nguyên vật liệu  Có khả tiêu diệt hầu hết vi sinh vật gây bệnh thời gian ngắn Nhược điểm  Ozone khí dễ phân giải, thời gian tiếp xúc ngắn ◊ phải xử lý nhanh  Là loại khí độc, gây kích thích mũi ảnh hưởng đến sức khỏe  Chi phí cao máy phát sinh ozone cần kim loại quý, thiết bị phức tạp  Chi phí vận hành cao Khử trùng tia cực tím Nguyên lý  Gây đột biến acid nucleic ◊ ngăn cản trình tái bản, mã ◊ ức chế trình tổng hợp protein  Sản sinh gốc tự ◊ oxy hóa ◊ gây chết tế bào Các yếu tố ảnh hưởng  Đèn cực tím: thời gian sử dụng lâu ◊ cường độ xạ giảm xuống Đèn cực tím TQ dùng 3000 giờ, nước khác 7500 – 8000 Các yếu tố ảnh hưởng  Chất rắn lơ lửng: hấp thu ảnh hưởng đến tia tử ngoại ◊ giảm lượng tia chiếu  Độ xuyên sâu tia cực tím: phụ thuộc vào độ dày tầng nước  Loại số lượng vi sinh vật: tia UV tiêu diệt vi khuẩn, virus, nấm, bào tử vi sinh vật khác có tính nhạy cảm khác 11  Tốc độ dòng chảy: ảnh hưởng đến việc khử trùng đèn cực tím  Ảnh hưởng yếu tố bên ngoài: nhiệt độ, độ ẩm Nêu trình sinh hóa chuyển hóa hợp chất xenobiotic vi sinh vật Chuyển hóa xenobiotic thể XENOBIOTIC Hấp thu Các Tổ chức Phân bố Hệ tuần hoàn Gan Cơ quan tiết Chuyển hóa Thải trừ Tác dụng lên quan Độc tính Hiệu điều trị Các trình sinh hóa chuyển hóa xenobiotic  Xenobiotic chứa nhiều nhóm chức nhóm gặp tự nhiên  Quá trình chuyển hóa xenobiotic thực qua giai đoạn 12 › Thủy phân Các enzyme hydrolase thủy phân liên kết amide ester hợp chất aniline, phenyl – urea, carbamic acid khác Các hydrolase chịu trách nhiệm cắt liên kết thuốc trừ sâu Là enzyme ngoại bào kích thích tạo thành nồng độ chất cao › Khử nhóm halogen Nhiều xenobiotic chứa hợp chất halogen ◊ khử halogen bước quan trọng trình chuyển hóa xenobiotic Mặc dù chế chưa rõ ràng trình khử halogen gồm có giai đoạn: thủy phân, khử, oxy hóa Và trình thực số enzyme: o Haloacetate – halidohydrolase: cắt halogen từ halide acetate thành glycolic acid o Hydrolase: cắt liên kết dichloroacetate o 2-haloacid halidohydrolase › Quá trình oxy hóa Đây giai đoạn quan trọng giai đoạn oxy hóa sản phẩm trình thủy phân halogen hóa Các phản ứng oxy hóa bao gồm: cắt đứt vòng thơm, loại bỏ nhóm alkyl nhóm epoxi › Quá trình khử Giai đoạn xảy điều kiện kỵ khí Trong trình có loại bỏ nhóm nitro enzyme nitroreductase Vai trò VSV chuyển hóa xenobiotic  Sự chuyển hóa xenobiotic có tham gia vi khuẩn hiếu khí lẫn vi khuẩn kỵ khí  Vi khuẩn hiếu khí: Pseudomonas, Escherichia, Sphingobium, Pandoraea, Rhodococcus, Gordonia, Bacillus, Moraxella, Micrococcus  Vi khuẩn kỵ khí: Pelatomaculum, Desulfotomaculum, Syntrophobacter, Syntrophus, Desulphovibrio, Methanospirillum, Methanosaeta Quá trình phân hủy xenobiotic vi sinh vật gồm có bước bản:  Sự làm giảm sinh học (bioattenuation): Kiểm tra trình xảy tự nhiên ◊ làm giảm thời gian phân hủy mẫu  Sự kích thích sinh học (biostimulation): kích thích chủ động vào vi khuẩn phân hủy xenobiotic chất nhận điện tử, nước, chất dinh dưỡng … 13  Sự tăng cường sinh học (bioaugmentation): bổ sung vi khuẩn phòng thí nghiệm  tăng khả phân hủy Các trình sinh hóa  Dựa vào điều kiện hiếu khí kỵ khí  Vi khuẩn hiếu khí: phân giải PCB  Vi khuẩn kỵ khí: phân giải methanogen, hợp chất nhân tạo Nêu biện pháp kiểm tra giám sát mật độ vi sinh vật môi trường  Kỹ thuật kiểm tra vi sinh vật mức phân tử  Kỹ thuật PCR Nguyên tắc Dựa khuếch đại trình tự gene đích Nguyên lý real-time PCR Real-time PCR phương pháp pcr kiểm soát lượng huỳnh 14 quang giải phóng phản ứng từ biết lượng sản phẩm PCR thời điểm (chu kỳ) trình khuếch đại, trái ngược vơí PCR truyền thống biết lượng sản phẩm khuếch đại thời điểm cuối phản ứng khuếch đại  Kỹ thuật kiểm tra enzyme vi sinh vật Kỹ thuật kiểm tra enzyme ELISA Dựa nguyên tắc kháng thể - kháng nguyên  Kỹ thuật kiểm tra vi sinh vật mức tế bào  Kỹ thuật kiểm tra vi sinh vật phát quang Nguyên tắc: Dựa vào phát ATP thông qua enzyme luciferase ◊ phát sáng Ưu điểm - Phát nhanh - Nhạy phát pg ATP tương ứng với 1000 tế bào vi khuẩn Nhược điểm Dễ bị dương tính giả Chi phí cao - -  Kỹ thuật kiểm tra vi khuẩn đánh giá chất lượng nước Kỹ thuật MPN Viết tắt: Most Probably Number Dựa nguyên tắc pha loãng tới hạn Nguyên tắc Mẫu pha thành dãy thập phân liên tiếp mẫu đưa vào môi trường thích hợp Ủ đọc số ống dương tính Tra bảng Mac – crady ◊ tính toán số lượng Kỹ thuật màng lọc Sử dụng để định lượng VSV mẫu lỏng nước sinh hoạt, nước thải, sữa … Sử dụng màng lọc vô trùng có kích thước nhỏ (0,27 µm 0,45 µm) Các tiêu phân tích Coliforms tổng số E.Coli Enterobacteria Và tùy theo tiêu phân tích mà ta sử dụng loại môi trường thích hợp 15 10 Công nghệ vi sinh vật đại bảo vệ môi trường phát triển bền vứng Công nghệ gene bảo vệ môi trường Ứng dụng công nghệ chuyển gene để tạo biosensor Biosensor  Một số hợp chất sử dụng để phát ô nhiễm nguồn nước  Cytochrome P450A  carbohydrate thơm dioxin  Methallothionine  kim loại  Chỉ thích hợp nước thải có mức độ ô nhiễm lớn  sử dụng cảm biến sinh học  Sử dụng gene mã hóa cho GFP gắn vào promoter đáp ứng nước thải  Các promoter bao gồm:  Gene mã hóa cho protein shock nhiệt methallothionein  stress, kim loại nặng, độc tố hóa học  Gene chứa yếu tố đáp ứng với estrogen  Gene thị khối u  carcinogene Công nghệ tế bào bảo vệ môi trường  Là công nghệ nuôi tế bào môi trường nhân tạo ◊ thay đổi theo ý muốn người nhằm mục đích tạo chế phẩm thành phần sinh vật sản xuất, cải tạo giống tạo giống  Sử dụng công nghệ tế bào kết hợp công nghệ gene ◊ loạt giống trồng có sản lượng cao, chất lượng tốt, kháng bệnh, tạo chế phẩm thuốc trừ sâu sinh học Công nghệ enzyme bảo vệ môi trường Các enzyme oxidoreductase  Các enzyme peroxidase phân lớp EC 1.11 Catalase  Xúc tác phản ứng phân hủy đặc hiệu H2O2 16 H2O2 + H O 2H2O + O2 H O Cơ chất Chất cho Cơ chất bị khử Chất cho bị oxy hóa  Ngoài ra, catalase phân hủy formaldehyde, acid formic alcohol  Đây chất độc hại đối vớibmôi ị khtrường bị thải oxyrahóa từ nhà máy chế biến sữa, phomat nhà máy dệt, sợi  Cùng với enzyme peroxidase, manganese peroxidase ◊ phát số kim loại Hg+2, Pb+2, Cd+2, Cr+6, Mn+2 HRP (Horseradish peroxidase)  Có thể xúc tác phản ứng oxy hóa phổ rộng gồm:  hợp chất thơm độc: biphenol, aniline, benzidine  hợp chất thơm dị vòng hydroxyquinoline arylamine  carcinogen benzidine naphthylamine  Sản phẩm ◊ polymer hóa ◊ kết tủa ◊ loại bỏ qua trình lắng đọng lọc  Phù hợp với xử lý nước thải không bị biến tính phổ rộng pH nhiệt độ  Các enzyme oxidase thuộc phân lớp EC 1.1  Một số enzyme phân lớp khác: polyphenol oxidase Lignin polysaccharide thành tế bào thực vật, polymer có nhiều vòng thơm ◊ không ưa nước ◊ khó phân hủy Về cấu tạo, lignin gồm mạch phenylpropanoid phức tạp không đồng ◊ việc phân hủy sinh học lignin cần phải có hệ enzyme oxy hóa mạnh Hai enzyme có hoạt tính mạnh có khả phân giải lignin  Ligninase (lignin peroxidase)  Manganese peroxidase Manganese peroxidase  Thực phản ứng oxy hóa phụ thuộc vào có mặt Mg2+ đệm  Thực tế, MnP xúc tác phản ứng oxy hóa khử Mn(II) thành Mn(III) ◊ phức hợp Mn(III) Lignin peroxidase  Là enzyme ngoại bào có nấm mốc Phanerochaete chrysosporium  Có khả gây khoáng hóa số hợp chất vòng thơm khó xử lý oxy hóa lượng lớn hợp chất phenol hợp chất thơm đa vòng  Ứng dụng để xử lý rác thải nguy hiểm, khó phân hủy Các enzyme oxidase L – galactonolactone oxidase  Là enzyme xúc tác phản ứng đặc hiệu phản ứng oxy hóa L-galactono-1,4lactone thành L-ascorbate 17  L-galactonolactone oxidase từ nấm men Candida norvegensis dùng để biến galactose từ trình thuỷ phân lactose dịch sữa chua thành axit Lascorbic  Enzyme thử nghiệm xử lý nước thải nhà máy chế biến sữa Một số enzyme phân lớp khác Tyrosinase  Còn gọi polyphenol oxydase, phenolase hay catecholase xúc tác cho hai phản ứng liên tiếp:  phản ứng thứ phản ứng thuỷ phân monophenol nhờ oxy phân tử thành o-diphenol  phản ứng thứ hai phản ứng dehydrogen hoá o-diphenol nhờ oxy thành o-quinon  Các quinon thường không bền ◊ bị polymer hóa thành hợp chất không tan dễ dàng bị loại bỏ  Được cố định chitosan để xử lý nước thải phenol (loại bỏ 100% phenol)  Việc cố định tyrosinase có ưu điểm việc giữ lại enzyme thể phản ứng bảo vệ chúng không bị hoạt tính thực phản ứng với quinon  Tyrosinase cố định giữ hoạt tính sau 10 ngày Laccase  Là enzyme kim loại xúc tác cho phản ứng oxy hóa hydroquinone thành benzoquinone  Trung tâm hoạt động enzyme có ion Cu2+ tham gia  Dùng laccase cố định chất mang ◊ xử lý thuốc nhuộm anthraquinonic ◊ làm giảm 80% độ độc Các enzyme hydrolase  Các enzyme thủy phân amylose  Các enzyme thủy phân cellulose  Các enzyme thủy phân pectin  Các enzyme thủy phân protein  Các enzyme phá hủy hợp chất chứa halogen Các enzyme thủy phân amylose  Nhờ vào hệ enzyme amylase gồm enzyme α - amylase, β - amylase, amylose 1,6 – glucosidse, glucoamylase  Có ý nghĩa quan trọng việc phân hủy phế thải chứa nguồn tinh bột từ làng nghề làm bún, bánh đa, bánh cuốn, chế biến nông sản ngô, khoai, sắn Các enzyme thủy phân cellulose  Được phân giải nhờ vào hệ enzyme cellulase gồm có enzyme: Enzyme C1 (cellobiose dehydrolase), endoglucanase, exoglucanase β - glucosidase  Ứng dụng để xử lý chất thải từ nhà máy giấy ◊ thu ethanol Các enzyme thủy phân pectin 18  Pectin heterosaccharide thành tế bào thực vật, có cấu tạo mạch dài tạo nên đơn vị monosaccharide, gồm liên kết (1,4)-α-D-galacturonic acid methyl ester  Là thành phần khó phân hủy Dựa vào nấm mốc A japonicus người ta tách enzyme pectinase pectinesterase có khả phân hủy pectin Các enzyme phá hủy hợp chất chứa halogen  Chia làm loại: haloalkane dehalogenase haloacid dehalogenase  Atrazine chất độc diệt cỏ hoàn toàn không tan nước (33 mg/lít), nồng độ cho phép nước 0,2 mg/lít  Pseudomonas sp strain ADP có khả chuyển hoá atrazine tiết Atrazine chlorohydrolase xúc tác phản ứng chuyển hoá atrazine biến atrazine độc, không tan thành sản phẩm tan không độc Các lớp enzyme khác  Enzyme tham gia vào trình khử kim loại nặng – As  Enzyme tham gia xử lý chất có hoạt tính bề mặt  Enzyne xử lý chất thải cyanur, cyanid hydratase Enzyme khử kim loại nặng – Arsen  Con người tiếp xúc với arsen thông qua không khí, thức ăn nước uống Lượng arsen vào thể hẳng ngày khoảng 20 – 300 μg với 25% arsen vô cơ, lại hữu  Các dạng arsen hữu arsenocholin, arsenobetain tương đối không độc dạng arsen vô lại độc  Nguyên tắc việc xử lý: chuyển hóa arsenite (hóa trị III) thành arsenate (hóa trị V) chuyển dạng arsen vô thành dạng hữu  Enzyme arsenate reductase (còn gọi arsenite oxidase) từ chủng Alcaligenes faecalis, xúc tác cho phản ứng chuyển hoá Arsenite (hoá trị III) độc thành Arsenate (hoá trị V) độc [36],  Arsenate reductase (donor) (còn gọi glutaredoxin), từ chủng Chrysiogenes arsenatis xúc tác phản ứng chuyển hoá arsenite Enzyme xử lý chất có hoạt tính bề mặt  Là chất hữu có tính phân cực mạnh thành phần chất tẩy rửa  Alkylsulfatase từ Pseudomonas putida từ Pseudomonas aeruginosa làm giảm hiệu suất chất có hoạt tính bề mặt Enzyme đặc hiệu với gốc alkyl sulfate, phá huỷ hoàn toàn gốc alkyl sulfate, alkyl ethoxy sulfate aryl sulfonate chất có hoạt tính bề mặt  Tuy nhiên, thực tế, enzyme phân hủy alkane sulfonate Nói chung, alkylsulfatase hứa hẹn ứng dụng tương lai việc xử lý phạm vi rộng chất có hoạt tính bề mặt có nước thải Enzyme xử lý cyanur - cyanide hydratase 19  Cyanur sản phẩm trung gian trình tổng hợp tơ sợi, cao su, dược liệu, quặng mỏ, mạ kim  Một số loài thực vật, VSV có khả sinh cyanur  Cyanur ức chế trình trao đổi chất ◊ gây chết người sinh vật khác  Cyanide hydratase formamide hydrolyase enzyme có khả chuyển hoá cyanide nước thải công nghiệp thành amoniac formate thông qua bước phản ứng  Cyanide hydratase phân lập từ vài loại nấm tạo từ nấm nồng độ cyanur thấp Enzyme xử lý cyanur - cyanide hydratase  Một số vi khuẩn gram âm có khả sản xuất enzyme cyanidase có lực, độ bền cao, có khả loại bỏ cyanur nồng độ thấp  Hoạt tính cyanidase không bị ảnh hưởng ion thông thường có mặt nước thải (ví dụ Fe2+, Zn2+ Ni2+), hay chất hữu acatat, formamide, acetamide acetonitrile  pH tối ưu khoảng 7.8-8.3 hoạt tính hoàn toàn, không phục hồi pH cao 8.3 Công nghệ lên men bảo vệ môi trường  Công nghệ lên men có lịch sử lâu đời thu nhiều thành tựu đáng kể  Công nghệ lên men ứng dụng để sản xuất chế phẩm vi sinh ứng dụng xử lý môi trường  Bao gồm công nghệ lên men chìm, lên men bán rắn … Công nghệ sản xuất  Sản xuất công nghệ sản xuất giảm thấp tiêu hao vật liệu lượng nhằm ngăn chặn có hiệu vật ô nhiễm phế thải  Công nghệ sản xuất chuyển biến kỹ thuật sản xuất khống chế ô nhiễm công nghiệp  Công nghệ sản xuất bao gồm nhiều lĩnh vực khai thác mỏ, luyện kim vi sinh vật, khai thác dầu mỏ vi sinh vật, sản xuất hóa chất vi sinh vật Vi sinh vật thân thiện với môi trường  Chất ngưng kết vi sinh vật  Phân bón vi sinh  Thuốc trừ sâu sinh học Chất ngưng kết vi sinh vật  Là chất xử lý nước thải mới, hiệu cao, không độc, không gây ô nhiễm trở lại, không ngưng kết nhanh mà làm màu nước thải, đặc biệt có hiệu chất thải có nồng độ cao  Chất ngưng kết VSV loại quan trọng chất ngưng kết cao phân tử sinh vật thiên nhiên có nhiều VSV sinh trưởng nhanh, dễ sản xuất công nghiệp, Đặc trưng chất ngưng kết vi sinh vật  Tính phân giải nhanh  Không độc, hại 20  Không gây tượng ô nhiễm lần sau  Ứng dụng rộng rãi thực tế  Làm màu nhanh  Giá thành thấp Phân bón vi sinh  Là chế phẩm đặc hiệu vi sinh vật sống có hiệu làm phân bón Trong trình sống, chúng tăng cường cung cấp dinh dưỡng  Phân vi sinh gồm nhiều loại vi khuẩn cố định đạm, vi khuẩn nốt sần họ Đậu  Phân vi sinh vật có nhiều ưu điểm độ phì tốt, hiệu lâu, không độc hại, tác dụng phụ, không gây ô nhiễm môi trường, giá thành thấp Thuốc trừ sâu sinh học  Thuốc trừ sâu vi khuẩn  Thuốc trừ sâu virus  Thuốc trừ sâu nấm  Thuốc diệt cỏ vi sinh vật  Chất hoạt tính bề mặt vi sinh vật Thuốc trừ sâu vi khuẩn  Chế phẩm thuốc trừ sâu vi khuẩn sử dụng nhiều Bt (Bacillus thuringensis)  Sâu bệnh có khả kháng chậm, sau 25 lứa có lứa kháng thuốc ◊ thay thuốc tăng nồng độ  Có thể sử dụng kết hợp với thuốc hóa học Thuốc trừ sâu virus  Hai loài virus sử dụng làm chế phẩm NPV (virus đa diện kiểu nhân) GV (virus thể hạt)  Phương pháp sản xuất nuôi tế bào sống côn trùng mô tế bào  Hiện vấn đề chủ yếu giá thành sản xuất tính ổn định đồng ruộng Thuốc trừ sâu nấm  Là thuốc trừ sâu có sản lượng nhiều sau vi khuẩn  So với vi khuẩn, chúng có ưu điểm:  Phạm vi vật chủ rộng, lây nhiễm nhiều loại côn trùng  Có thể giết chết nhiều loại chích hút ve, rệp sáp  Nhược điểm:  Lượng dùng lớn, giá thành cao  Thời gian bảo quản sản phẩm thấp Thuốc diệt cỏ vi sinh vật  Chế phẩm VSV gây bệnh cho cỏ dại ◊ không theo kịp thuốc hóa học  Streptomyces ức chế cỏ dại, không ảnh hưởng đến vườn ◊ ứng dụng Chất hoạt tính bề mặt vi sinh vật 21  Là chất làm giảm sức căng bề mặt Chúng có đầu ưa nước đầu kỵ nước làm chất dinh dưỡng  Chất hoạt tính bề mặt VSV không tan nước ◊ không ảnh hưởng đến môi trường  Được ứng dụng rộng rãi khai thác dầu mỏ, phân giải chất hữu đất mỏ dầu khí  Có thể làm thuốc chữa bệnh Rhodococus erythropolis, Pseudomonas sử dụng để chữa bệnh virus 22 [...]... trên chất mang ◊ xử lý thuốc nhuộm anthraquinonic ◊ làm giảm 80% độ độc Các enzyme hydrolase  Các enzyme thủy phân amylose  Các enzyme thủy phân cellulose  Các enzyme thủy phân pectin  Các enzyme thủy phân protein  Các enzyme phá hủy hợp chất chứa halogen Các enzyme thủy phân amylose  Nhờ vào hệ enzyme amylase gồm 4 enzyme là α - amylase, β - amylase, amylose 1,6 – glucosidse, glucoamylase ... lớp enzyme khác  Enzyme tham gia vào quá trình khử kim loại nặng – As  Enzyme tham gia xử lý các chất có hoạt tính bề mặt  Enzyne xử lý chất thải cyanur, cyanid hydratase Enzyme khử kim loại nặng – Arsen  Con người tiếp xúc với arsen thông qua không khí, thức ăn và nước uống Lượng arsen đi vào cơ thể hẳng ngày khoảng 20 – 300 μg với 25% là arsen vô cơ, còn lại là hữu cơ  Các dạng arsen hữu cơ như... nghề làm bún, bánh đa, bánh cuốn, chế biến nông sản ngô, khoai, sắn Các enzyme thủy phân cellulose  Được phân giải nhờ vào hệ enzyme cellulase gồm có 4 enzyme: Enzyme C1 (cellobiose dehydrolase), endoglucanase, exoglucanase và β - glucosidase  Ứng dụng để xử lý chất thải từ các nhà máy giấy ◊ thu được ethanol Các enzyme thủy phân pectin 18  Pectin là heterosaccharide của thành tế bào thực vật, có cấu... cố định tyrosinase có ưu điểm trong việc giữ lại được các enzyme trong bản thể phản ứng và bảo vệ chúng không bị mất hoạt tính khi thực hiện các phản ứng với quinon  Tyrosinase được cố định vẫn giữ được hoạt tính sau 10 ngày Laccase  Là một enzyme kim loại xúc tác cho phản ứng oxy hóa hydroquinone thành benzoquinone  Trung tâm hoạt động của enzyme này có ion Cu2+ tham gia  Dùng laccase cố định trên... các liên kết của thuốc trừ sâu Là một enzyme ngoại bào được kích thích tạo thành khi nồng độ cơ chất cao › Khử nhóm halogen Nhiều xenobiotic chứa các hợp chất của halogen ◊ khử halogen là một bước quan trọng trong quá trình chuyển hóa xenobiotic Mặc dù cơ chế chưa rõ ràng nhưng quá trình khử halogen nhưng gồm có 3 giai đoạn: thủy phân, khử, oxy hóa Và quá trình này được thực hiện bởi một số enzyme: o... glutaredoxin), từ chủng Chrysiogenes arsenatis xúc tác phản ứng chuyển hoá arsenite Enzyme xử lý các chất có hoạt tính bề mặt  Là các chất hữu cơ có tính phân cực mạnh và là thành phần cơ bản của chất tẩy rửa  Alkylsulfatase từ Pseudomonas putida hoặc từ Pseudomonas aeruginosa có thể làm giảm hiệu suất các chất có hoạt tính bề mặt Enzyme này đặc hiệu với các gốc alkyl sulfate, và có thể phá huỷ hoàn toàn... nhiệt độ  Các enzyme oxidase thuộc phân lớp EC 1.1  Một số enzyme phân lớp khác: polyphenol oxidase Lignin là một polysaccharide của thành tế bào thực vật, là một polymer có rất nhiều vòng thơm ◊ không ưa nước ◊ rất khó phân hủy Về cấu tạo, lignin gồm các mạch phenylpropanoid phức tạp không đồng nhất ◊ việc phân hủy sinh học lignin cần phải có hệ enzyme oxy hóa mạnh Hai enzyme có hoạt tính mạnh có... đổi theo ý muốn con người nhằm mục đích tạo ra chế phẩm và thành phần sinh vật sản xuất, cải tạo giống hoặc tạo giống mới  Sử dụng công nghệ tế bào kết hợp công nghệ gene ◊ một loạt giống cây trồng mới có sản lượng cao, chất lượng tốt, kháng bệnh, tạo các chế phẩm thuốc trừ sâu sinh học Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Các enzyme oxidoreductase  Các enzyme peroxidase phân lớp EC 1.11 Catalase ... dày của tầng nước  Loại và số lượng vi sinh vật: tia UV có thể tiêu diệt được vi khuẩn, virus, nấm, bào tử nhưng các vi sinh vật khác nhau có tính nhạy cảm khác nhau 11  Tốc độ dòng chảy: ảnh hưởng đến việc khử trùng của đèn cực tím  Ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài: nhiệt độ, độ ẩm 8 Nêu các quá trình sinh hóa chuyển hóa các hợp chất xenobiotic của vi sinh vật Chuyển hóa xenobiotic trong cơ thể... galactonolactone oxidase  Là enzyme xúc tác phản ứng đặc hiệu là phản ứng oxy hóa L-galactono-1,4lactone thành L-ascorbate 17  L-galactonolactone oxidase từ nấm men Candida norvegensis có thể được dùng để biến galactose từ quá trình thuỷ phân lactose trong dịch sữa chua thành axit Lascorbic  Enzyme này đã được thử nghiệm xử lý nước thải của nhà máy chế biến sữa Một số enzyme phân lớp khác Tyrosinase