VI SINH VẬT TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI (P1)

3.1    KHÁI NIỆM

Vi sinh vật là những tổ chức sinh vật rất nhỏ bé, có thể tập hợp lại thành một nhóm lớn hơn gồm nhiều loại khác nhau dưới những hình dạng không xác định, chúng có thể tồn tại dưới dạng đơn phân tử, đa phân tử hoặc một nhóm phân tử. Có thể nói, phần lớn vi sinh vật đóng vai trò rất quan trọng trong các quá trình chuyển hóa sinh hóa, chúng có tác dụng làm giảm lượng chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời giúp ổn định nồng độ chất hữu cơ trong các dòng chảy. Các loài vi sinh vật chiếm ưu thế trong từng quá trình xử lý sinh hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất dòng vào, điều kiện môi trường, quá trình thiết kế và cách thức vận hành hệ thống. Do đó, để tăng cường vai trò hệ vi sinh vật hoạt động trong xử lý nước thải thì cần phải thiết kế điều kiện môi trường phù hợp, ví dụ đối với đa số quá trình xử lý hiếu khí, cần có các điều kiện thích hợp như: môi trường phải đủ thông thoáng để cung cấp oxy, đủ các vật chất hữu cơ (làm thức ăn), đủ nước, đủ N và P (chất dinh dưỡng) để thúc đẩy sự oxy hóa, có pH phù hợp (6,5 – 9), và không có các chất gây độc.

Tuy nhiên, không phải tất cả các vi sinh vật đều có lợi cho các quá trình chuyển hóa trong xử lý nước thải. Nếu như các điều kiện môi trường không còn phù hợp cho hoạt động của các loài vi sinh vật, hoặc số lượng các vi sinh trong hệ thống xử lý tăng đột biến, điều này sẽ gây cản trở cho quá trình chuyển hóa và làm giảm hiệu suất xử lý nước thải.

3.2    SINH THÁI, SINH LÝ, PHÂN LOẠI VI SINH VẬT

3.2.1     Sinh thái, sinh lý vi sinh vật

Vi sinh vật không phải là một nhóm phân loại trong sinh giới mà là bao gồm tất cả các sinh vật có kích thước hiển vi, không thấy rõ được bằng mắt thường, do đó phải sử dụng kính hiển vi thường hoặc kính hiển vi điện tử. Ngoài ra muốn nghiên cứu vi sinh vậtngười ta phải sử dụng tới phương pháp nuôi cấy vô khuẩn. Vi sinh vậtcó các đặc điểm chung sau đây: [2]; [7]; [8]; [18]

Kích thước nhỏ bé :

Vi sinh vật thường được đo kích thước bằng đơn vị micromet (1mm= 1/1000mm hay 1/1.000.000m). Virus được đo kích thước đơn vị bằng nanomet (1nn=1/1.000.000mm hay 1/1.000.000.000m). Kích thước càng bé thì diện tích bề mặt của vi sinh vậttrong 1 đơn vị thể tích càng lớn. Chẳng hạn đường kính của 1 cầu khuẩn (Coccus) chỉ có 1mm, nhưng nếu xếp đầy chúng thành 1 khối lập nhưng có thể lích là 1cm3 thì chúng có diện tích bề mặt rộng tới ...6 m2 !

Light microscope : KHV quang học Electron microscope : KHV điện tử Most bacteria: Phần lớn vi khuẩn

Hình 3.1 Kích thước các loài vi sinh vật Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh :

Tuy vi sinh vậtcó kích thước rất nhỏ bé nhưng chúng lại có năng lực hấp thu và chuyển hoá vượt xa các sinh vật khác. Chẳng hạn 1 vi khuẩn lắctic (Lactobacillus) trong 1 giờ có thể phân giải được một lượng đường lactose lớn hơn 100 – 10.000 lần so với khối lượng của chúng. Tốc độ tổng hợp protein của nấm men cao gấp 1.000 lần so với đậu tương và gấp 100.000 lần so với trâu bò.

Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh :

Chẳng hạn, 1 trực khuẩn đại tràng (Escherichia coli) trong các điều kiện thích hợp chỉ sau 12 - 20 phút lại phân cắt một lần. Nếu lấy thời gian thế hệ là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, sau 24 giờ phân cắt 72 lần và tạo ra 4.722.366.500.000.000.000.000.000 tế bào (4 722 366. 1017), tương đương với 1

khối lượng … 4.722 tấn. Tất nhiên trong tự nhiên không có được các điều kiện tối ưu như vậy (vì thiếu thức ăn, thiếu oxy, dư thừa các sản phẩm trao đổi chất có hại…). Trong loài lên men với các điều kiện nuôi cấy thích hợp, từ 1 tế bào có thể tạo ra sau 24 giờ khoảng 100.000.000 – 1.000.000.000 tế bào. Thời gian thế hệ của nấm men dài hơn, ví dụ với men rượu (Saccharomyces cerevisiae) là 120 phút. Với nhiều vi sinh vậtkhác còn dài hơn nữa, ví dụ với tảo Tiểu cầu ( Chlorella ) là 7 giờ, với vi khuẩn lam Nostoc là 23 giờ…Có thể nói không có sinh vật nào có tốc độ sinh sôi nảy nở nhanh như vi sinh vật.

Có năng lực thích ứng mạnh và dễ dàng phát sinh biến dị :

Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hoà trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống rất khác nhau, kể cả những điều kiện hết sức bất lợi mà các sinh vật khác thường không thể tồn tại được. Có vi sinh vật sống được ở môi trường nóng đến 1300C, lạnh đến 0 - 50C, mặn đến nồng độ 32% muối ăn, ngọt đến nồng độ mật ong, pH thấp đến 0,5 hoặc cao đến 10,7; áp suất cao đến trên 1.103 at. Hay có độ phóng xạ cao đến 750.000 rad. Nhiều vi sinh

vậtcó thể phát triển tốt trong điều kiện tuyệt đối kỵ khí, có loài nấm sợi có thể phát triển dày đặc trong bể ngâm tử thi với nồng độ Formol rất cao…

Vi sinh vật đa số là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống … do đó rất dễ dàng phát sinh biến dị. Tần số biến dị thường ở mức 10-5-10-10. Chỉ sau một thời gian ngắn đã có thể tạo ra một số lượng rất lớn các cá thể biến dị ở các hế hệ sau. Những biến dị có ích sẽ đưa lại hiệu quả rất lớn trong sản xuất. Nếu như khi mới phát hiện ra penicillin hoạt tính chỉ đạt 20 đơn vị/ml dịch lên men (1943) thì nay đã có thể đạt trên 100.000 đơn vị/ml. Khi mới

phát hiện ra acid glutamic chỉ đạt 1 - 2g/l thì nay đã đạt đến 150g/ml dịch lên men (VEDAN-Việt Nam).

Phân bố rộng, chủng loại nhiều :

+ Vi sinh vậtcó mặt ở khắp mọi nơi trên Trái đất, trong không khí, trong đất, trên núi cao, dưới biển sâu, trên cơ thể, người, động vật, thực vật, trong thực phẩm, trên mọi đồ vật…

+ Vi sinh vậttham gia tích cực vào việc thực hiện các vòng tuần hoàn sinh-địa-hoá học (biogeochemical cycles) như vòng tuần hoàn C, vòng tuần hoàn N, vòng tuần hoàn P, vòng tuần hoàn S, vòng tuần hoàn Fe…

+ Trong nước vi sinh vậtcó nhiều ở vùng duyên hải (littoral zone), vùng nước nông (limnetic zone) và ngay cả ở vùng nước sâu (profundal zone), vùng đáy ao hồ (benthic zone).

+ Trong không khí thì càng lên cao số lượng vi sinh vậtcàng ít. Số lượng vi sinh vậttrong không khí ở các khu dân cư đông đúc cao hơn rất nhiều so với không khí trên mặt biển và nhất là trong không khí ở Bắc cực, Nam cực…

+ Hầu như không có hợp chất carbon nào (trừ kim cương, đá graphít…) mà không là thức ăn của những nhóm vi sinh vậtnào đó (kể cả dầu mỏ, khí thiên nhiên, formol. Dioxin…). Vi sinh vậtcó rất phong phú các kiểu dinh dưỡng khác nhau : quang tự dưỡng (photoautotrophy), quang dị dưỡng (photoheterotrophy), hoá tự dưỡng (chemoautotrophy), hoá dị dưỡng (chemoheterotrophy), tự dưỡng chất sinh trưởng (auxoautotroph), dị dưỡng chất sinh trưởng (auxoheterotroph)…

Là sinh vật xuất hiện đầu tiên trên trái đất :

Trái đất hình thành cách đây 4,6 tỷ năm nhưng cho đến nay mới chỉ tìm thấy dấu vết của sự sống từ cách đây 3,5 tỷ năm. đó là các vi sinh vậthoá thạch còn để lại vết tích trong các tầng đá cổ. Vi sinh vật hoá thạch cổ xưa nhất đã được phát hiện là những dạng rất giống với Vi khuẩn lam ngày nay. Chúng được J.William Schopf tìm thấy tại các tầng đá cổ ở miền Tây Australia. Chúng có dạng đa bào đơn giản, nối thành sợi dài đến vài chục mm với đường kính khoảng 1 - 2 mm và có thành tế bào khá

  

Hình 3.2 Vết tích một số loài vi khuẩn đầu tiên

3.2.2     Phân loại vi sinh vật

Từ trước đến nay có rất nhiều hệ thống phân loại sinh vật. Các đơn vị phân loại sinh vật nói chung và vi sinh vật nói riêng đi từ thấp lên cao là Loài (Species), Chi (Genus), Họ (Family), Bộ (Order), Lớp (Class), Ngành (Phylum), và Giới (Kingdom). Hiện nay trên giới còn có một mức phân loại nữa gọi là lĩnh giới (Domain).

Xưa kia John Ray (1627-1705) và Carl Von Linnaeus (1707-1778) chỉ chia ra 2 giới là Thực vật và động vật. Năm 1866 E. H. Haeckel (1834-1919) bổ sung thêm giới Nguyên sinh (Protista). Năm 1969 R. H. Whitaker (1921-1981) đề xuất hệ thống phân loại 5 giới : Khởi sinh (Monera), Nguyên sinh (Protista), Nấm (Fungi), Thực vật (Plantae) và động vật (Animalia).

+ Khởi sinh bao gồm Vi khuẩn (Bacteria) và Vi khuẩn lam (Cyanobacteria).

+ Nguyên sinh bao gồm động vật nguyên sinh (Protzoa),

+ Tảo (Algae) và các Nấm sợi sống trong nước (Water molds).

Hình 3.3 Hệ thống phân loại 5 giới sinh vật

Gần đây hơn  có hệ thống phân loại 6 giới - như 5 giới trên nhưng thêm giới Cổ vi khuẩn (Archaebacteria), giới Khởi sinh đổi thành giới Vi khuẩn thật (Eubacteria) (P.

H. Raven, G. B. Johnson, 2002).

Hình 3.4 Hệ thống phân loại 6 giới sinh vật

T. Cavalier-Smith (1993) thì lại đề xuất hệ thống phân loại 8 giới:

+    Vi khuẩn thật (Eubacteria),

+    Cổ vi khuẩn (Archaebacteria),

+    Cổ trùng (Archezoa),

+    Sắc khuẩn (Chromista),

+    Nấm (Fungi),

+    Thực vật (Plantae) và

+    động vật (Animalia).

Theo R. Cavalier-Smith thì: Cổ trùng (như Giardia) bao gồm các cơ thể đơn bào nguyên thuỷ có nhân thật, có ribosom 70S, chưa có bộ máy Golgi, chưa có ty thể (mitochondria) chưa có thể diệp lục (Chloroplast), chưa có  peroxisome. Sắc khuẩn

bao gồm phần lớn các cơ thể quang hợp chứa thể diệp lục trong các phiến (lumen) của mạng lưới nội chất nhăn (rough endpplasmic reticulum) chứ không phải trong tế bào chất (cytoplasm), chẳng hạn như Tảo silic , Tảo nâu, Cryptomonas, Nấm noãn.

Hình 3.5 Hệ thống phân loại 8 giới sinh vật

Năm 1980, Carl R. Woese dựa trên những nghiên cứu sinh học phân tử phát hiện thấy Cổ khuẩn có sự sai khác lớn trong trật tự nucleotid ở ARN của ribosom 16S và 18S. Ông đưa ra hệ thống phân loại ba lĩnh giới (Domain) bao gồm: Cổ khuẩn (Archae), Vi khuẩn (Bacteria) và Sinh vật nhân thực (Eucarya).

Hình 3.6 Hệ thống 3 lĩnh giới (domain)

Sai khác giữa 3 lĩnh giới Bacteria, Archaea và Eukarya được trình bày trên bảng 3.1 dưới đây:

Bảng 3.1 Bảng so sánh 3 lĩnh giới vi sinh vật

đặc điểm	Bacteria			Archaea			Eukarya
Nhân có màng nhân và hạch nhân	Không			Không			Có
Phức hợp bào quan có màng	Không			Không			Có
Thành tế bào	Hầu	hết	có	Nhiều	loại	khác	Không	chứa	acid

cloramphenicol           và kanamycin
Mẫn          cảm          với anisomycin	Không			Mẫn cảm	Mẫn cảm
ARN polymerase phụ thuộc ADN
Số lượng enzym	Một			Một số	Ba
Cấu trúc	4 tiểu đơn vị			8-12 tiểu đơn vị	12-14 tiểu đơn vị
Mẫn          cảm          với rifampicin	Mẫn cảm			Không	Không
Promoter                   typ Polymerase II	Không			Có	Có
Trao đổi chất
Tương tự ATPase		Không	Có			Có
Sinh methane		Không	Có			Không
Cố định N2		Có	Có			Không
Quang hợp với diệp lục		Có	Không			Có
Hoá dưỡng vô cơ		Có	Có			Không

Nguồn: Nguyễn Lân Dũng, 2005.

Phần lớn vi sinh vật thuộc về ba nhóm Cổ khuẩn, Vi khuẩn và Nguyên sinh. Trong giới Nấm, thì nấm men (yeast), nấm sợi (filamentous Fungi) và dạng sợi (mycelia) của mọi nấm lớn đều được coi là vi sinh vật. Như vậy là vi sinh vật không có mặt trong hai giới động vật và Thực vật. Người ta ước tính trong số 1,5 triệu loài sinh vật có khoảng 200.000 loài vi sinh vật(100.000 loài động vật nguyên sinh và tảo, 90.000 loài nấm, 2.500 loài vi khuẩn lam và 1.500 loài vi khuẩn). Tuy nhiên hàng năm, có thêm hàng nghìn loài sinh vật mới được phát hiện, trong đó có không ít loài vi sinh

vật). Theo hệ thống 3 lĩnh giới thì Archaezoa bao gồm Diplomonad, Trichomonad và Microsporidian. Euglenozoa bao gồm Euglenoid và Kinetoplastid. Alveolata bao gồm Dinoflagellate, Apicomplexan, và Ciliate. Strmenopila bao gồm Tảo silic (Diatoms) , Tảo vàng (Golden algae), Tảo nâu (Brown algae) và Nấm sợi sống trong nước (Water mold) . Rhodophyta gồm các Tảo đỏ (Red algae). Riêng Tảo lục (Green algae) thì một phần thuộc Nguyên sinh (Protista) một phần thuộc Thực vật (Plantae).

3.2.2.1      Vi khuẩn

Theo quan điểm hiện đại (NCBI- National Center for Biotechnology Information, 2005) thì vi khuẩn bao gồm các ngành sau đây : Aquificae –Thermotogae - Thermodesulfobacteria – Deinococcus - Thermus - Chrysiogenetes - Chloroflexi – Nitrospirae - Defferribacteres - Cyanobacteria - Proteobacteria - Firmicutes – Actinobacteria - Planctomycetes - Chlamydiae/Nhóm Verrucomicrobia -Spirochaetes

-       Fibrobacteres /Nhóm Acidobacteria - Bacteroidetes/Nhóm Chlorobia - Fusobacteria - Dictyoglomi. Việc phân ngành dựa trên các đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hóa, sinh thái... Căn cứ vào tỷ lệ G + C trong ADN người ta xây dựng được cây phát sinh chủng loại (Phylogenetic tree) và chia vi khuẩn thành các nhóm sau đây:

-Nhóm Oxy hoá Hydrogen -Nhóm Chịu nhiệt -Nhóm Vi khuẩn không lưu huỳnh màu lục -Nhóm Deinococcus -Nhóm Vi khuẩn lam -Nhóm Proteobacteria -Nhóm Chlamydia -Nhóm Planctomyces -Nhóm Spirochaetes (Xoắn thể) -Nhóm Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục -Nhóm Cytophaga -Nhóm Vi khuẩn Gram dương.

Vi khuẩn là một tổ chức nguyên thủy, đơn bào, cơ thể chứa khoảng 85% là nước và 15% là các khoáng chất hay chất nguyên sinh. Chất nguyên sinh phần lớn là S, K, Na, Ca, Cl và một lượng nhỏ sắt, silic và magie. Chúng sinh sôi nảy nở nhờ hình thức tự phân đôi. Vi khuẩn có thể coi là một trong những sinh vật sống nhỏ nhất, có đường kính 0,5 – 2mm và chiều dài từ 1 – 10mm.

Các vi khuẩn được phân thành 3 nhóm chính dựa vào hình dạng tự nhiên hay trạng thái tồn tại của chúng. Dạng đơn giản nhất là vi khuẩn hình cầu, còn được gọi là Cocci (khuẩn cầu). Dạng thứ hai là các vi khuẩn hình que, gọi là Bacillus. Dạng cuối

cùng là các vi khuẩn hình xoắn hoặc cong, gọi là Spirilla. đại đa số vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ, biến chất hữu cơ thành chất ổn định tạo thành bông cặn dễ lắng.

Hình 3.7 Hình dạng của một số loài vi khuẩn

Vi khuẩn ký sinh (paracitic bacteria) là vi khuẩn sống bám vào vật chủ, thức ăn của nó là thức ăn đã được vật chủ đồng hóa, chúng thường sống trong đường ruột của người và động vật, và đi vào nước thải theo phân và nước tiểu.

Vi khuẩn hoại sinh (saprophytic bacteria) dùng chất hữu cơ không hoạt động làm thức ăn, nó phân hủy cặn hữu cơ làm chất dinh dưỡng để sống và sinh sản, và thải ra

các chất gồm cặn hữu cơ có cấu tạo đơn giản và cặn vô cơ. Bằng quá trình hoạt động như vậy, vi khuẩn hoại sinh đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc làm sạch nước thải. Nếu không có hoạt động sống và sinh sản của vi khuẩn, quá trình phân hủy sẽ không xảy ra. Có rất nhiều loài vi khuẩn hoại sinh, mỗi loài đóng một vai trò đặc biệt trong mỗi công đoạn của quá trình phân hủy hoàn toàn cặn hữu cơ có trong nước thải, và mỗi loài sẽ tự chết khi hoàn thành quy trình sống và sinh sản ở giai đoạn đó.

Tất cả các vi khuẩn ký sinh và hoại sinh cần có thức ăn và oxy để đồng hóa. Một số loài trong số vi khuẩn này chỉ có thể hô hấp bằng oxy hòa tan trong nước gọi là vi khuẩn hiếu khí, và quá trình phân hủy chất hữu cơ của chúng gọi là quá trình hiếu khí hay quá trình oxy hóa. Một số loài khác trong số các vi khuẩn này không thể tồn tại được khi có oxy hòa tan trong nước mà lấy oxy cần cho sự đồng hóa từ các hợp chất hữu cơ và vô cơ có chứa oxy trong quá trình phân hủy chúng. Những vi khuẩn này gọi là vi khuẩn yếm khí và quá trình phân hủy gọi là quá trình yếm khí (kỵ khí), quá trình này tạo ra mùi khó chịu.

Còn một số loài vi khuẩn hiếu khí trong quá trình phân hủy chất hữu cơ, nếu thiếu hoàn toàn oxy hòa tan, chúng có thể tự điều chỉnh để thích nghi với môi trường gọi là vi khuẩn hiếu khí lưỡng nghi. Ngược lại, cũng tồn tại một số loài vi khuẩn yếm khí, khi có oxy hòa tan trong nước chúng không bị chết mà lại làm quen được với môi trường hiếu khí gọi là vi khuẩn yếm khí lưỡng nghi. Sự tự điều chỉnh để thích nghi với môi trường có sự thay đổi của oxy hòa tan của vi khuẩn hoại sinh là rất quan trọng trong quy trình phân hủy chất hữu cơ của nước thải trong các công trình xử lý.

Nhiệt độ nước thải có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động và sinh sản của vi khuẩn, phần lớn vi khuẩn hoại sinh hoạt động có hiệu quả cao và phát triển mạnh mẽ ở nhiệt độ từ 20 – 40oC. Một số loài vi khuẩn trong quá trình xử lý cặn phát triển ở nhiệt độ 50 – 60oC. Khi duy trì các điều kiện môi trường: thức ăn, nhiệt độ, pH, oxy, độ ẩm thích hợp để vi khuẩn phát triển thì hiệu quả xử lý sinh học trong công trình sẽ đạt hiệu quả cao nhất.

 

Tuy nhiên, không phải tất cả các vi khuẩn đều có lợi cho quá trình sinh hóa, một vài trong số chúng là loài gây hại. Có hai loại vi khuẩn có hại có thể phát triển trong hệ thống hiếu/thiếu khí. Một là các dạng vi khuẩn dạng sợi (filamentous) là các dạng phân tử trung gian, thường kết với nhau thành lưới nhẹ nổi lên mặt nước và gây cản trở quá trình lắng đọng trầm tích; làm cho lớp bùn đáy không có hiệu quả, sinh khối sẽ không gắn kết lại và theo các dòng chảy sạch đã qua xử lý ra ngoài. Một dạng vi khuẩn có hại khác tồn tại trong lượng bọt dư thừa trong các bể phản ứng sinh hóa, phát sinh từ các hệ thống thông gió để tuần hoàn oxy trong hệ thống. Các tổ chức có hại thông thường trong hệ thống kỵ khí là các vi khuẩn khử sulfat.