Những nhân tố ảnh hưởng đến phân hủy sinh học Những nhân tố ảnh hưởng đến phân hủy sinh học Bởi: Ngô Tự Thành Mở đầu Chúng ta xem xét phân huỷ sinh học chất gây ô nhiễm X phụ thuộc nhân tố Nghĩa xem xét phân huỷ môi trường tự nhiên nơi xử lý môi trường nơi phản ứng sinh học(bloreactor) với nhân tố môi trường, với quần xã áac vi sinh vật tương tác với môi trường tương tác với trình phân huỷ Bản thân chất gây ô nhiễm có thuộc tình mỡnh ảnh hưởng đến phân huỷ Như vậysự phân huỷ sinh học chất gây ô nhiễm chịu ảnh hưởng hàng loạt nhân tố, nồng độ thành phần quần xã vi sinh vật chịu ảnh hưởng nhiều nhân tố để đến lượt mình, chúng chịu ảnh hưởng đến phân huỷ sinh học chất ô nhiễm Do xem xét phân huỷ sinh học chất gây ô nhiễm cách đặt vi sinh vật (mật độ thành phần quần xã hoạt tính chúng có phân huỷ sinh học chất gây ô nhiễm) với chất gây ô nhiễm, bên nhân tố ảnh hưởng đến vi sinh vật phân huỷ Các nhân tố ảnh hưởng đến vi sinh vật phân huỷ sinh học gồm ba loại nhân tố : - Các nhân tố môi trường - Các nhân tố thuộc thân chất cần phân huỷ, mà gọi chất vi sinh vật môi trường mà xem xét, - Các nhân tố thuộc vi sinh vật nói Các nhân tố môi trường bao gồm: • Độ ẩm 1/9 Những nhân tố ảnh hưởng đến phân hủy sinh học • • • • Sự thông khí Nhiệt độ pH Sự cung cấp chất dinh dưỡng Các nhân tố thuộc chất bao gồm: • • • • • • Tính độc Nồng độ Độ tan Độ bay Sự phân chia thành pha rắn Cấu trúc hoá học Các nhân tố vi sinh vật học bao gồm: • Sự có mặt (hay không) đường phân huỷ chất X • Sự thích nghi âasc quần thể vi sinh vật, • Các nhân tố sinh thái Dưới thảo luận nhân tố quan trọng số nói Các nhân tố môi trường thuộc môi trường Các nhu cầu dinh dưỡng Để tồn sinh trưởng, vi sinh vật cẩn thực trao đổi chất Chỳng thu nhận cỏc chất từ mụi trường, đồng hoỏ cỏc chất để tổng hợp cỏc hợp phần tế bào Núi cỏch khỏc, cỏc hợp phần hoỏ học tham gia vào cỏc hợp phần tế bào phải cung cấp cho vi sinhvật học Trong [link] đõy nờu rừ cỏc nguyờn tố mà vi sinh vật đũi hỏi, với tỷ lệ gần đỳng, chức chỳng tế bào Chỳ ý hai cụng thứcthực nghiệm cú lần nhăc đến, cỏc nguyờn tố chủ yếu cú tỷ lệ gần đỳng giống đú nờu [link] Vớ dụ, cụng thức thực nghiệm C5H7NO2, tỷ lệ cỏc nguyờn tố đố 53,6,12,28 2/9 Những nhân tố ảnh hưởng đến phân hủy sinh học Thành phần nguyên tố cỏc tế bào vi sinh vật, tớnh theo trọng lượng khụ (khoảng 10% trọng lượng tươi) Nguồn: Stanier cộng sự, 1986 Không phải nguyên tố trạng thái vi sinh vật đồng hoá Ví dụ vi khuẩn dị dưỡng đòi hỏi cacbon dạng hữu Nhiều loại vi khuẩn có khả sử dụng số chất hoá lactozơ loại đường cacbon, điều dụng để xác định thể thuộc nhóm coliform mẫu nước Phép thử nhiều ống nghiệm (MPN) xây dựng dựa tượng Hầu hết vi khuẩn đồng hoá nitởtong amôni (-3), nitrit (+3), nitrat (+5) Lưu huỳnh thường đồng hoá trạng thái oxy hoá sulfat (+6) Thường có hai chất dinh dưỡng môi trường đóng vai trò giới hạn sinh trưởng Khái niệm chất dinh dưỡng giới hạn (limiting-nutrient) vô tiện lợi để dự đoán tác động chất gây ô nhiễm nước hứng chịu chúng, để thiết kế vận hành trình xử lý sinh học Các Hồ Lớn vốn nhiều photpho; vào cuối thập kỷ 1960, chất tẩy rửa có khả bị phân huỷ sinh học thải vào làm tăng lượng photpho chúng làm cho chúng trở nên phú dưỡng hay phì dưỡng (eutriphication) Việc loại bỏ photpho khỏi nước thải đổ vào Các Hồ Lớn ứng dụng khái niệm chất dinh dưỡng giới hạn nhiều lọai nước thải công nghiệpbị cân đối chất dinh dưỡng, cần phải bổ sung cách định lượng chất dinh dưỡng (thường nitơ và/ photpho) 3/9 Những nhân tố ảnh hưởng đến phân hủy sinh học pH Như biết, hầu hết vi sinh vi sinh vật sinh trưởng thuận lợi giá trị pH từ đến số nấm pH Tương tự hầu hết vi khuẩn ưa điều kiện trung tínhvà bị ức chế sinh trưởng điều kiện axit kiềm Chỉ có số vi khuẩn thích ứng tốt với điều kiện axit kiềm Ví dụ, vi khuẩn oxy hoá lưu huỳnh, thuộc chi hoá tự dưỡng hiếu khí bắt buộc, tạo thành axit sulfurơ cách oxy hoá H2S, sinh trưởng tốt pH1 pH đất ảnh hưởng đến độ an toàn photpho, nguyên tố dinh dưỡng quan trọng vi sinh vật, ảnh hưởng đến vận chuyển kim loại độc hại đất Độ hoà tan photpho lớn pH 6,5, vận chuyển kim loại nhỏ pH lớn (Sims cộng 1990) Hầu hết loại đất có tính axit Để làm tăng pH đất, người ta thường đưa vào chất chứa can xi ma nhê Quá trình gọi vôi hoá (liming), chất dùng canxi oxit(lime), canxi hydroxit, canxi cacbonat, manhê cacbonat, xỉ canxi silicat Nếu pH đất cao, nồng độ cacbonat cao, có mặt chất thải độc hại có pH cao, “sự axit hoá” cần thiết Sự axit hoá, tức làm giảm pH đất, thực cách bổ sung lưu huỳnh nguyên tố chất chứa lưu huỳnh, axit sulfuric, amon polysulfua, nhôm sulfat sắt sulfat (Dupon cộng sự, 1988) Nhiệt độ Nhiệt độ có ảnh hưởng đến hoạt động vi sinh vật phân huỷ sinh học nào? Chúng ta biết loài vi sinh vật nói chung sinh trưởng tốt khoảng nhiệt độ tương đối hẹp Trong quan hệ với nhiệt độ, phân chia vi sinh vật thành nhóm sau đây: - Vi sinh vật ưa ẩm (mesphiles) sinh trưởng khoảng từ 15 oC đến 45 oC, sinh trưởng tối ưu khoảng 25-35 oC; phần lớn vi khuẩn đất thuộc nhóm - Vi sinh vật ưa lạnh (Psychrophiles) sinh trưởng tốt nhiệt độ 20 oC - Vi sinh vật ưa nóng (Thermophiles) sinh trưởng tốt khoảng 45-65 oC Trong nhóm có nhiều nhóm nhỏ khác với khoảng nhiệt độ tối ưu riêng chúng Theo Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ (U.S Environmental Protection Agency, U.S EPA), có quy tắc chung là, nhiệt độ tăng lên 10 oC tốc độ chuyển hoá sinh học tăng 4/9 Những nhân tố ảnh hưởng đến phân hủy sinh học khoảng gấp đôi Tuy nhiên khi, nhiệt độ tăng lên nhiệt độ tối ưu tốc độ phản ứng giảm sút Sở dĩ lhi nhiệt độ tăng (trong khoảng đó) mà chuyển hoá sinh học tăng theo hay nhiều nguyên nhân số sau đây: - Sự tăng hoạt tính vi sinh vật - Sự tăng độ hoà tan chất gây ô nhiễm (cơ chất) - Sự giảm nhiệt độ hấp phụ vào đất chất gây ô nhiễm Nói chung, nhiệt độ 40 oC phân huỷ sinh học giảm xuống, biến tính enzym protein, nhiệt độ gần oC phân huỷ sinh học gần ngừng hoàn toàn [Sims cộng sự, 1990] Về phần vi sinh vật, nói chung chúng có khả chịu đựng cực trị nhiệt độ thấp do có vỏ bọc, phục hồi nhiệt độ trở bình thường, phần lớn quần thể bị chết nhiệt độ cao Trong thực tiễn ảnh hưởng đâycủa nhiệt độ vi sinh vật phân huỷ sinh học chất gây ô nhiễm khai thác nào? Trước hết, biết, thay đổi khí hậu theo mùa làm thay đổi nhiệt độ đất, làm thay đổi tốc độ phân huỷ sinh học Để giữ cho nhiệt độ đất thay đổi theo mùa, đôI người ta phủ đất lớp bổi từ nguyên liệu phân ủ (compost), phân bón (manure), vỏ bào, vỏ cây, mùn cưa…v v… Việc tưới tiêu nước biện pháp để điều chỉnh nhiệt độ đất Độ ẩm làm giảm tính dẫn nhiệt đất làm giảm thay đổi hàng ngày nhiệt độ đất Chính nguyên lý áp dụng nông nghiệp cách tưới phun để hạn chế tạo thành sương muối (sương tuyết) mùa đông làm mát đất mùa hè Một biện pháp khác che phủ mặt đất nơi xử lý để hạn chế lan toả hợp chất bay hơi, làm tăng nhiệt độ đất Độ ẩm thông khí Về ảnh hưởng độ ẩm hoạt tính sinh học đất có nguyên lý sau đây: • Nước hợp phần chủ yếu nguyên sinh chất, việc cung cấp đủ nước thiết yếu để đảm bảo tồn sinh trưởng vi sinh vật • Nước môi trường vận chuyển chất hữu chất dinh dưỡng vào tế bào vận chuyển chất thải khỏi tế bào 5/9 Những nhân tố ảnh hưởng đến phân hủy sinh học • Hàm lượng nước đất ảnh hưởng đến thông khí (vận chuyển oxy), độ hoà tan hợp phần đất pH • Vì lẽ đó, độ ẩm đất thấpthì tạo thành vùng khô hạnvà làm giảm hoạt động vi sinh vật Ngược lại, độ ẩmcủa đất cao trao đổi khí giảm xuống, tạo thành vùng kị khí với loại trừ vi sinh vật hiếu khí tăng số lượng vi sinh vật kị khí kị khí tuỳ tiện • Độ ẩm có quan hệ trực tiếp với thông khí lỗ hổng đất không chứa khí • Khí đất nói chung chứa nhiều CO2 khí quyểnphía mặt đất hô hấp vi sinh vậtvà rễ Điều hạn chế nhiều di chuyểncủa khí vào lỗ nhỏ đất • Trong thực tiễn, để đảm bảo sinh trưởng tốt hầu hết vi sinh vật hiếu khí, cần đảm bảo độ ẩm đất từ 50% đến 75% so với khả giữ nước Các nhân tố thuộc chất gây nhiễm Bản chất cấu trúc hoá học Các cấu trúc hoá học sau ức chế phân huỷ sinh học hợp chất chứa chúng: • • • • • • Các nhóm amin, methoxy, sulfomat, nitro Các phân tử halogenhoá nhiều Các phân tử có trọng lượng lớn nhiều chuỗi dài Các vòng benzen vị trí meta Các liên kết ete, Các chuỗi cacbon phân nhánh Do cấu trúc nói trên, mà chất/nhóm chất sau coi khó bị phân huỷ sinh học (tức bền vững), không bị phân huỷ, chúng có mặt đất nước ngầm: • Cac polyme tổng hợp • Các chất clo hoá chất thơm • Các pesticide DDT clordan (chlordane) Thuộc diện khó phân huỷ có chất khó tan nên không vận chuyển vào tế bào Thuộc diện phân tử lớn nên xâm nhập vào tế bào, đồng thời không bị biến đổi enzym ngoại bào : 6/9 Những nhân tố ảnh hưởng đến phân hủy sinh học - Polyvinyl clorit (polyvinyl chlorde), Polyetylen (polyethylene) Một số phân tử khác có đặc tính cấu trúc không gian mà ngăn cản công benzeym Ảnh hưởng cấu trúc phân tử đến phân huỷ sinh học thảo luận chi tiết chương Nồng độ Trong môi trường, chất gây ô nhiễm có mặt nồng độ thấp nồng độ ngưỡng đảm bảo tồn sinh trưởng quần thể vi sinh vật Đó trường hợp 2,4D diclorophenol (dichlorophenol): hai chất dễ bị phân huỷ nồng độ từ 1ppm đến 100ppm lại tồn đọng nhiều năm có mặt nồng độ cỡ ppb [Alexander,1981] Nguyên nhân nồng độ thấp chất không cung cấp đủ lượng cho sinh trưởng vi sinh vật, có lẽ vi sinh vật sử dụng nguồn lượng khác (nếu có) Trái lại, chất gây ô nhiễm có mặt với nồng độ vừa phải nồng độ cao độc đôí với vi sinh vật địa đất, nước, nước thải, tầng lắng đọng Các vi sinh vật bần dưỡng (oligotrophic microogamisms) chịu đựng độ độc ức chế phân huỷ sinh học nồng độ thấp so với vi sinh vật phân lập trì điều kiện phòng thí nghiệm điển hình, tức dạng chủng khiết Cót vấn đề liên quan đến nồng độ đồng chất (cosubstrate) hiệu ứng gọi đồng trao đổi chất (cometabolism) Như đề cập phần đây, số chất hữu không vi sinh vật sử dụng làm chất cho sinh trưởng, phân thông qua vi sinh vật cung cấp chất hữu khác, tức đồng chất Đồng chất có tác dụng cảm ứng enzym cần thiết quần thểthực đồng trao đổi chất Vấn đề nồng độ chỗ đồng chất có mặt với nồng độ cao dẫn đến cạnh tranh enzym làm giảm chuyển hoá chất gây ô nhiễm bàn đến (“Mọi thái không tốt”!) Người ta cố gắng hiểu rõ vấn đề cách đưa đồng chất vào địa điểm diễn phục hồi sinh học Một vấn đề khác, liên quan đến đồng trao đổi chất: có mặt chất thứ hai, mà thân đồng chất gây ô nhiễm hiệu ứng sinh trưởng kép (dianxic effects) Cụ thể vi sinh vật chọn cho chất cho phép sinh trưởng với tốc độ cao (dễ sử dụng) Cơ chất ưa thích (khó sử dụng), 7/9 Những nhân tố ảnh hưởng đến phân hủy sinh học thường chất gây ô nhiễm, phân huỷ chất dễ sử dụng có nồng độ vừa phải Các nhân tố vi sinh vật học Sự có mặt đường phân huỷ chất gây ô nhiễm Bất kỳ sinh học chất hữu xúc tác nhờ enzym Sự phân huỷ sinh học chất gây ô nhiễm đặc biệt thường trình nhiều giai đoạn nhiều loại enzym xúc tác nhiều loại vi sinh vật Các enzym đặc hiệu chất phản ứng xúc tác Thông thường vi sinh vật có enzymđể phân huỷ chất gây ô nhiễm , tức đường phân huỷ chất ấy, có mặt đất Ví dụ dễ thấy trường hợp hydrocacbon dầu mỏ Tuy vậy, phân chất gây ô nhiễm thường không xảy điều kiện môi tường oxy, chất dinh dưỡng, độ ẩm, pH.v.v không cho phép Những nhân tố bàn đến mục2 Theo nhân tố môi trường vừa tác động đến hoạt tính quần xã vi sinh vật quần thể phân huỷ chất gây ô nhiễm,vừa ảnh hưởng đến chất gây ô nhiễm Khi yếu tố môI trường tác động đến quần xã quần thể vi sinh vật, chúng thể tác dụng nhân tố sinh thái Sự thích ứng(acclimation, acclimatzation) Có thể nói thời kỳ thích ứng (acclimation period), giai đoạn từ đưa (cấy) vi sinh vật vào môi trường cần xử lý đến quan sát thấy biểu phân huỷ sinh học Trong xử lý đất ô nhiễm theo kiểu làm đất(land treament) hay canh tác đất (land farming), người ta trải chất thải đấtỉồi cày bừa đất để đưa chất thải vào đất, làm thoáng khí cho đất để tăng cường hoạt động vi sinh vật Xử lý tiến hành thành nhiều đợt Trong đợt đầu, đất trải thành lớp dầy, đợt sau mỏng Ở đợt sau, độ dầy lớp đất phải để phần đất đợt trước trộn vào đất thao tác làm đất Điều nàycho phép đưa số vi sinh vật qua giai đoạn thích ứng đợt trước vào đất đợt sau, làm rút ngắn pha sinh trưởng mở đầu Ngoài làm có tác dụng pha loãng chất thải cho lần sau, khiến cho thời gian xử lý lần sau rút ngắn Còn xử lý chất thải theo kiểu ủ đất (composting), trình hiếu khí chất hữu rắn ẩm oxy hoá thành dạng ổn định áp dụng Vật liệu cấy thchs hợp cho việc làm đống ủ thường có mặt đất, suôí nóng, vật liệu hữu chát đống Những hydrocacbon dầu mỏ, dung môi không halozen 8/9 Những nhân tố ảnh hưởng đến phân hủy sinh học hoá, nhiều hoá chất dùng nông nghiệp bị nhiều vi sinh vật phân huỷ Mặc dù vậy, người ta thường bổ sung bùn cống nguồn vi sinh vật bổ sung để rút ngắn giai đoạn thích ứng Ngoài việc táI tuần hoàn nguyên liệu từ đống ủ cũ biện pháp tốt để cấy đống ủ Trong đống ủ, nhiệt sinh với tốc độ lớn nhiệt Sự tăng nhiệt độcủa đống ủ theo thời gian thường bắt đầu giai đoạn mở đầu ngắn ứng với giai đoạn thích ững vi sinh vật; sau nhiệt độ tăng theo hàm số mũ đạt giá trị cực đại 9/9 ... (khó sử dụng), 7/9 Những nhân tố ảnh hưởng đến phân hủy sinh học thường chất gây ô nhiễm, phân huỷ chất dễ sử dụng có nồng độ vừa phải Các nhân tố vi sinh vật học Sự có mặt đường phân huỷ chất gây.. .Những nhân tố ảnh hưởng đến phân hủy sinh học • • • • Sự thông khí Nhiệt độ pH Sự cung cấp chất dinh dưỡng Các nhân tố thuộc chất bao gồm: • • • • • • Tính độc Nồng độ Độ tan Độ bay Sự phân. .. nhiệt độ tăng lên 10 oC tốc độ chuyển hoá sinh học tăng 4/9 Những nhân tố ảnh hưởng đến phân hủy sinh học khoảng gấp đôi Tuy nhiên khi, nhiệt độ tăng lên nhiệt độ tối ưu tốc độ phản ứng giảm sút