Đồ án tốt nghiệp: Phân lập chủng vi khuẩn có khả năng xử lý nitrate trong nước thải công nghiệp

Chia sẻ: Trương Yến | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:63

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đồ án tốt nghiệp này được thực hiện với mục tiêu nhằm tuyển chọn và phân lập các chủng vi khuẩn có khả năng phân giải nitrate, nitrite của các chủng vi khuẩn; khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nitrate của các chủng vi khuẩn phân lập được. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Phân lập chủng vi khuẩn có khả năng xử lý nitrate trong nước thải công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHÂN LẬP CHỦNG VI KHUẨN CÓ KHẢ NĂNG XỬ LÝ NITRATE TRONG NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC . Giáo viên hướng dẫn : Th.S Phạm Minh Nhựt. Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thị Thanh Trang MSSV: Lớp: 08DSH4 TP. Hồ Chí Minh, 2012
MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................ i DANH MỤC BẢNG .......................................................................................... vi DANH MỤC HÌNH ........................................................................................... vi MỞ ĐẦU ..............................................................................................................9 1. Đặt vấn đề ......................................................................................................9 2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................10 3. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................10 4. Tính cấp thiết nghiên cứu ............................................................................10 5. Phạm vi nghiên cứu .....................................................................................11 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ..............................................................................12 1.1.Tổng quan về nitrate trong nƣớc thải và ảnh hƣởng của chúng ...............12 1.1.1.Qúa trình hình thành nitrate tổng quá [4] ..............................................12 1.1.1.1 Chu trình nitơ trong ao hồ ...............................................................13 1.1.1.2 Quá trình amon hóa .........................................................................13 1.1.1.3 Quá trình nitrate hóa ........................................................................14 1.1.2.Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình nitrate hóa[24] .............................15 1.1.2.1 Nhiệt độ ...........................................................................................15 1.1.2.2 pH ....................................................................................................15 1.1.1.3 Vi sinh vật .......................................................................................16 1.1.3.Ảnh hƣởng của nitrate đến sức khỏe con ngƣời[] .................................16 1.1.4. Ảnh hƣởng của nitrate đến các sinh vật thủy sinh[24] .........................17 i
1.1.5. Nguyên nhân có mặt nitrate trong nguồn nƣớc ngầm, nƣớc mặt, nƣớc cấp[2] .....................................................................................................................19 1.2. Các phƣơng pháp loại bỏ nitrate trong môi trƣờng .................................19 1.2.1 Phƣơng pháp trao đổi ion.......................................................................19 1.2.2 Lọc thẩm thấu ngƣợc .............................................................................20 1.2.3 Phƣơng pháp sinh học ............................................................................21 1.3 Vai trò của các chủng vi khuẩn trong quá trình xử lý nitrate .................21 1.4 Tổng quan về vi khuẩn .............................................................................23 1.4.1 Thiobacillus denitrificans[11] ................................................................23 1.4.1.1 Phân loại. .........................................................................................23 1.4.1.2 Đặc điểm.........................................................................................24 1.4.1.3 Cơ chế loại bỏ nitrate của T.denitrificans ......................................25 1.4.1.4 Ứng dụng. ........................................................................................26 1.4.2 Pseudomonas stutzeri.............................................................................26 1.4.2.1 Nguồn gốc[19] .................................................................................26 1.4.2.2 Phân loại .........................................................................................27 1.4.2.3 Đặc điểm sinh lý và điều kiện sống[12] ..........................................27 1.4.2.4 Đặc điểm chung[22,23] ...................................................................28 1.4.2.5 Đặc điểm hình thái và cấu trúc khuẩn lạc.[14]...............................29 1.4.2.6 Hoạt tính sinh học...........................................................................31 1.4.2.7 Cơ chế khử của P. Stutzeri[18] ...........................................32 1.4.2.8 Ứng dụng2[1, 2] .............................................................................33 1.4.3 Paracoccus denitrificans ........................................................................33 1.4.3.1 Nguồn gốc[5] ...................................................................................33 ii
1.4.3.2 Phân loại ..........................................................................................33 1.4.3.3 Đặc điểm sinh học. ..........................................................................34 1.4.3.4 Ứng dụng. ........................................................................................35 CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....................37 2.1 Thời gian và địa điểm ...............................................................................37 2.1.1 Thời gian ................................................................................................37 2.1.2 Địa điểm .............................................................................................37 2.1.2.1 Địa điểm lấy mẫu ............................................................................37 2.1.2.2 Địa điểm thực hiện thí nghiệm ........................................................37 2.2 Dụng cụ và hóa chất .................................................................................37 2.2.1 Dụng cụ ..................................................................................................37 2.2.2 Hóa chất .................................................................................................37 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu ..........................................................................38 2.3.1 Phƣơng pháp lấy mẫu ............................................................................38 2.3.2. Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng nitrate trong mẫu ...........................38 2.3.3. Phƣơng pháp xác định hàm nitrite trong mẫu ......................................39 2.3.4 Phƣơng pháp xử lý số liệu .....................................................................40 2.4. Bố trí thí nghiệm ......................................................................................40 2.4.1. Phân lập vi khuẩn có khả năng xử lý nitrate.........................................40 2.4.1.1 Quy trình phân lập và tuyển chọn vi khuẩn phân hủy nitrate ........40 2.4.1.2 Sàng lọc khả năng loại bỏ nitrate đối với các chủng vi khuẩn ........41 2.4.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình xử lý nitrate của chủng vi khuẩn phân lập đƣợc. .............................................................................................41 iii
2.4.2.1 Khảo sát ảnh hƣởng của mật độ vi khuẩn đến quá trình loại bỏ nitrate .................................................................................................................42 2.4.2.2 Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ nitrate đến quá trình loại bỏ nitrate ............................................................................................................................42 2.4.2.3 Khảo sát ảnh hƣởng của nguồn carbon đến khả năng loại bỏ nitrate ............................................................................................................................42 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN.......................................................44 3.1.Kết quả phân lập vi khuẩn có khả năng phân hủy nitrate .........................44 3.1.1. Kết quả định tính các mẫu chứa vi khuẩn xử lý nitrate trên môi trƣờng Giltay .....................................................................................................................44 3.1.2. Kết quả phân lập vi khuẩn xử lý nitrate từ mẫu đất..............................45 3.2 Kết quả xác định đặc điểm hình thái ........................................................45 3.3. Kết quả sàng lọc khả năng phản nitrate, và khả năng sinh nitrite của các chủng vi khuẩn .......................................................................................................47 3.3.1. Kết quả xử lý nitrate của các chủng vi khuẩn sau 168 giờ ...................47 3.3.2. Tốc độ xử lý nitrate của các chủng vi khuẩn khảo sát ..........................48 3.3.3. Kết quả sinh nitrite trong quá trình xử lý nitrate của các chủng vi khuẩn sau 168h .................................................................................................................49 3.4. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của mật độ vi khuẩn đến quá trình loại bỏ nitrate và khả năng sinh nitrite (Foglar và ctv, 2004) ............................................50 3.4.1. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của mật độ vi khuẩn đến quá trình xử lý nitrate .....................................................................................................................50 3.4.2. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của mật độ vi khuẩn đến sự sinh nitrite trong quá trình xử lý nitrate ...................................................................................51 3.5.Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ nitrate đến quá trình loại bỏ nitrate (Foglar và ctv, 2004; Reazee và ctv, 2010; Liang và ctv, 2011) ................52 iv
3.6 Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nguồn carbon đến khả năng loại bỏ nitrate (Rwazee và ctv, 2010; Liang và ctv, 2011). ...............................................53 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................56 4.1. Kết luận ....................................................................................................56 4.2. Kiến nghị..................................................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................58 PHỤ LỤC ...........................................................................................................60 v
DANH MỤC HÌNH Hình1.1: Chu trình nitơ trong hồ……………………..……………………………11 Hình1.2: Các con sông bị phú dƣỡng hóa, nhiễm nitrate………..………………..16 Hình 1.3: Khuẩn lạc P. stutzeri có nếp nhăn, màu hơi đỏ nâu, khô và dính chặt với nhau……..………………………………………………………………………….21 Hình 1.4: Tế bào vi khuẩn T.denitrificans có dạng hình que ngắn………………………………………………………………………………...22 Hình 3.1: Kết quả xử lý nitrate sau 168 giờ của 5 chủng vi khuẩn 301, 302, 303, 303, 304, 305…………………………………………………………………….…38 Hình 3.2 : Tốc độ xử lý nitrate của các chủng vi khuẩn khảo sát…………………39 Hình 3.3: Kết quả sinh nitrite trong quá trình xử lý nitrate của các chủng vi khuẩn sau 168h……………………………………………………………………………40 Hình 3.4: Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của mật độ vi khuẩn đến sự sinh nitrite trong quá trình xử lý nitrate………………………………………………………………41 Hình 3.5: Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của mật độ vi khuẩn đến sự sinh nitrite quá trình xử lý nitrate……………………………………………………………...……43 Hình 3.6: Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ nitrate 200mg/l, 400mg/l, 600mg/l, 800mg/l lên quá trình loại bỏ nitrate……………………………….…….44 Hình 3.7: Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nguồn carbon đến khả năng loại bỏ nitrate………………………………………………….…………...………………45 vi
DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Kết quả định tính các mẫu chứa vi khuẩn xử lý nitrate trên môi trƣờng Giltay………………………………………………………………………………43 Bảng 3.2: kết quả hình thái khuẩn lạc của 5 chủng phân lập trên môi trƣờng DM……………………………………………………………………………….44 Bảng 3.3: Bảng kết quả sát định đặc điểm của 5 chủng vi khuẩn 301, 302, 303, 304, 305………………………………………………………………………………….45 vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DM : Denitrification medium LB : Lysogeny broth PDA : Diphenyl sulfur acid ETDA : Ethylenediaminetetraacetic acid viii
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Căn cứ vào Luật Môi Trƣờng do Quốc hội khóa IX kỳ họp thứ tƣ (từ ngày 6 đến ngày 30 tháng 12 năm 1993) thông qua thì “ Môi trƣờng bao gồm các yếu tố tự nhiên và yếu tố vật chất nhân tạo quan hệ mật thiết với nhau bao quanh con ngƣời, có ảnh hƣởng tới dời sống, sản xuất, sự tồn tại, phát triển của con ngƣời và thiên nhiên”. Bảo vệ môi trƣờng đƣợc quy định là “ Những hoạt động giữ cho môi trƣờng trong lành, sạch đẹp, cải thiện môi trƣờng, đảm bảo cân bằng sinh thái, ngăn chặn, khắc phục các hậu quả xấu do con ngƣời và thiên nhiên gây ra cho môi trƣờng, khai thác, sử dụng hợp lý và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên”. Một số nƣớc nhƣ Trung Quốc gọi môi trƣờng là hoàn cảnh sống, đó là từ chính xác để chỉ điều kiện sống của cá thể hoặc quần thể vi sinh vật… Sinh vật và con ngƣời không thể sống tách rời khỏi môi trƣờng của mình cho nên cũng có thể nói môi trƣờng tự nhiên là cái nôi sinh thành của con ngƣời. Trong các loại môi trƣờng từ môi trƣờng nƣớc, môi trƣờng không khí và môi trƣờng đất là những môi trƣờng rất quan trọng trong cuộc sống của mỗi loài sinh vật sống trên Trái Đất. Và môi trƣờng chúng tôi quan tâm ở đây là môi trƣờng nƣớc. Ở nƣớc ta, ô nhiễm nguồn nƣớc chủ yếu ở các khu vực đô thị, các khu công nghiệp và các bến cảng lớn. Theo các số liệu đã phân tích trên đây, chúng ta thấy có thể nêu lên một số nhận xét chung về tình hình ô nhiễm môi trƣờng nƣớc của chúng ta nhƣ sau: Đất nƣớc sau giải phóng: nƣớc ta đã giành khá nhiều tập trung cho việc hàn gắn những vết thƣơng chiến tranh, tốc độ phát triển công nghiệp chƣa cao. Vì vậy, tổng lƣợng chất thải độc hại dƣới dạng rắn, lỏng chƣa phải đã nhiều so với các nƣớc đang phát triển, tuy có nơi có lúc cũng đã thể hiện mức độ nghiêm trọng của nó. Nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm phần lớn các nhà máy xí nghiệp chƣa có hệ thống xử lý trƣớc khi đổ vào hệ thống nƣớc thải của thành phố. Nếu có hệ thống xử lý nƣớc thải đi chăng nữa cũng chỉ mới bƣớc đầu nghiên cứu, thử nghiệm nên hiệu quả chƣa 9
cao. Hoặc có nơi tuy đã trang bị những hệ thống xử lý nƣớc thải nhƣng không chịu vận hành vì sợ tốn kém… Hiện nay, Việt Nam đang trong công cuộc xây dựng kiến thiết đất nƣớc theo hƣớng công nghiệp hóa, hiện đại hóa với sự phát triển dân số và tốc độ đô thị hóa cao. Xử lý sinh học bằng các chủng vi sinh vật với ƣu điểm là phù hợp điều kiện tự nhiên, giảm chi phí năng lƣợng, hóa chất, đơn giản, có khả năng tận dụng các sản phẩm phụ sau xử lý đang là phƣơng pháp có tiềm năng. Trong đó hoạt động của các vi sinh vật giữ vai trò rất quan trọng ảnh hƣởng đến hiệu quả xử lý của toàn bộ hệ thống.Trong nƣớc thải công nghiệp có chứa hàm lƣợng nitrate cao có chứa các vi sinh vật có khả năng phân hủy nitrate. Các chủng vi sinh vật này có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Việc phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn này đƣợc chúng tôi tiến hành trong đề tài: “ Nghiên cứu tuyển chọn một số chủng vi khuẩn có khả năng xử lý nitrate trong nƣớc thải công nghiệp”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Phân lập, tuyển chọn và đánh giá khả năng xử lý nitrate của các chủng vi khuẩn có khả năng phân hủy nitrate. 3. Nội dung nghiên cứu Tuyển chọn và phân lập các chủng vi khuẩn có khả năng phân giải nitrate, nitrite của các chủng vi khuẩn. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình xử lý nitrate của các chủng vi khuẩn phân lập đƣợc. 4. Tính cấp thiết nghiên cứu Hiện nay, việc loại bỏ các chất đạm từ công nghiệp và chất thải trong nƣớc đã đƣợc nhận nhiều sự quan tâm do có nhiều hiện tƣợng phú dƣỡng hóa từ trong nƣớc. Đã có nhiều phƣơng pháp xử lý để loại bỏ nitơ đƣợc xử dụng bằng phƣơng pháp sinh học, hóa học, các yếu tố vật lý. Gần đây nitơ đƣợc loại bỏ bằng phƣơng pháp sinh học đã đƣợc tìm thấy và áp dụng rộng rãi, do cách tiếp cận xử lý nƣớc thải từ các vi sinh vật trở nên dễ dàng và dễ thực hiện, sử dụng hiệu quả, chi phí tiết kiệm. 10
Các quá trình sinh học phổ biến nhất bao gồm nitrate hóa, oxi hóa ammonium, nitrite thành nitrate. Sinh vật tự dƣỡng trong điều kiện hiếu khí, kỵ khí và khử nitơ chuyển đổi nitrite và nitrate thành nitơ . Vì vậy nó bao gồm các bƣớc chuyển hóa khá đặc biệt, bao gồm hiếu khí và kỵ khí đƣợc chuẩn bị. Trong những năm qua, một số nhóm di dƣỡng nitrate các vi khuẩn nhƣ Paracoccus,Thiosphaera pantotropha,Cammamonas sp. và Alcaligences faecalis đƣợc báo cáo là có quá trình nitrate hóa dị dƣỡng và khả năng khử nitơ hiếu khí. Nhƣ vậy chúng có thể đƣợc xử dụng để khắc phục các vấn đề khó khăn trong hệ thống nƣớc thải nhƣ làm giảm các chi phí có liên quan với tình trạng thiếu oxi trong các bể chứa hoặc làm giảm kích thƣớc của bể chứa khi cần thiết. Khả năng khử yếm khí trong điều kiện bầu không khí có oxi cao đã đƣợc chứng minh. Vì thế em thực hiện đề tài “ Phân lập vi khuẩn xử lý nitrate từ nước thải và xác định khả năng loại bỏ nitrate của chúng trong điều kiện hiếu khí”. 5. Phạm vi nghiên cứu Thời gian nghiên cứu hạn chế nên chỉ có thể phân lập đƣợc các chủng vi khuẩn có khả năng xử lý nitrate, nitrite tốt. Đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng phân hủy một cách tốt hơn. 11
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1.Tổng quan về nitrate trong nƣớc thải và ảnh hƣởng của chúng Nitrate (NO3-) đƣợc tạo thành tự nhiên từ nitơ trong lòng đất. Nitơ là một loại khí chiếm tới gần 80% bầu khí quyển và rất cần thiết cho sự sống. Rễ cây hấp thụ càng nhiều nitơ thì năng suất của mùa màng càng cao. Quá trình hình thành nitrate là một giai đoạn không thể thiếu trong vòng tuần hoàn của nitơ trong tự nhiên. Thực phẩm và đồ uống có chứa một hàm lƣợng nitrate thấp thì không có hại cho sức khỏe. Cây cối hấp thụ nitrate trong đất để lấy dƣỡng chất và có thể sẽ tạo một dƣ lƣợng nhỏ trong lá và quả. Do tính cơ động cao, nitrate dễ dàng thấm vào nguồn nƣớc ngầm. Nếu con ngƣời và súc vật uống phải nƣớc có nhiều nitrate sẽ dễ bị mắc các chứng bệnh về máu, đặc biệt là đối với trẻ nhỏ. Nitrate hình thành khi vi sinh vật chuyển hóa phân bón, phân hủy xác động thực vật. Nếu cây cối không kịp hấp thụ hết lƣợng nitrate này thì nƣớc mƣa và nƣớc tƣới sẽ làm cho nó ngấm vào lòng đất, làm ô nhiễm nguồn nƣớc ngầm. Rất tiếc là con ngƣời lại chính là thủ phạm tạo ra nguồn ô nhiễm nitrate lớn nhất thông qua các hoạt động nông nghiệp.[1,3] 1.1.1.Qúa trình hình thành nitrate tổng quá [4] 12
Hình 1.1 : Chu trình nitơ trong ao hồ 1.1.1.1 Chu trình nitơ trong ao hồ Chu trình nitơ là một trong những mô hình tuần hoàn vô hình và quan trọng nhất đối với môi trƣờng thủy sinh. Tôm cá và các động vật thủy sinh trong quá trình sinh sống chúng bài tiết ra NH3, nếu ở nồng độ cao NH3 sẽ gây độc. Chu trình nitơ, trong đó có quá trình amôn hóa và quá trình nitrate hóa diễn ra nhờ vào hoạt động của các vi khuẩn có ích giúp chuyển hóa các chất độc thành những chất có ích cho đời sống của thực vật thủy sinh và giúp các động vật thủy sinh không bị độc từ chất thải do chúng bài tiết ra. 1.1.1.2 Quá trình amon hóa Amôn hóa là quá trình phân hủy và chuyển hoá các hợp chất hữu cơ phức tạp thành NH3 dƣới tác dụng cuả vi sinh vật. Dƣới tác dụng của enzyme phân hủy protein (enzyme proteolytic, thƣờng gọi là enzym protease) làm chất xúc tác sẽ 13
phân hủy protein thành các chất đơn giản hơn, các chất này tiếp tục đƣợc phân giải thành acid amin nhờ tác dụng của enzyme peptidase ngoại bào. Một phần nhỏ acid amin sẽ đƣợc vi sinh vật sử dụng để tổng hợp thành protein của chúng (protein xây dựng cấu trúc cơ thể của vi sinh vật), phần còn lại đƣợc tiếp tục phân giải tạo ra NH3, CO2, SO42- (nếu các acid amin có chứa S) và các sản phẩm trung gian khác. Trong nƣớc, NH3 sẽ đƣợc chuyển hóa thành NH4+ theo phản ứng sau: NH3 + H2O  NH4+ + OH- (1) 1.1.1.3 Quá trình nitrate hóa Dƣới tác dụng của một số vi sinh sinh thì NH4+ đƣợc hình thành từ quá trình amôn hóa sẽ đƣợc tiếp tục chuyển hóa thành NO2- (nitrite) rồi thành NO3- (nitrate). Trƣớc hết NH4+ đƣợc chuyển hóa thành NO2- bởi vi khuẩn Nitrosomonas, sau đó vi khuẩn Nitrobacter sử dụng men nitrite oxidase để chuyển hóa NO2- thành NO3- . NO3- có thể đƣợc các thực vật thủy sinh sử dụng nhƣ là một nguồn dinh dƣỡng hoặc có thể bị chuyển hóa tiếp thành khí nitơ (N2) qua hoạt động của các vi khuẩn yếm khí nhƣ Pseudomonas. Các quá trình chuyển hóa NH4+ đều cần sự tham gia của oxy và độ kiềm của nƣớc. Quá trình nitrate hóa gồm 2 giai đoạn đƣợc thực hiện bởi hai nhóm vi khuẩn nối tiếp nhau. Hai giống vi khuẩn này có mối quan hệ mật thiết với nhau. Chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên; môi trƣờng đất, nƣớc. Môi trƣờng thích hợp cho cả 2 loại này phải có pH>6 (tối ƣu ở pH=7-8). Giai đoạn nitrit hóa :Chuyển hóa NH4+ thành NO2- (2) bởi nhóm vi khuẩn nitrite hóa. NH4+ + 1,5 O2  NO2+ 2H++ H2O (2) Vi khuẩn tham gia mạnh nhất trong quá trình nitrite hóa là vi khuẩn hóa vô cơ tự dƣỡng, là loài vi khuẩn hiếu khí bắt buộc. Khi chúng chuyển hóa NH4+ thành NO2- sẽ sinh ra năng lƣợng, năng lƣợng này sẽ đƣợc các vi khuẩn nitrite hóa sử dụng cho hoạt động sống của mình. Sự có mặt của các nhóm vi khuẩn nitrite hóa giúp loại bỏ đƣợc NH4+, khi hàm lƣợng NH4+ trong nƣớc giảm phƣơng trình phản ứng (1) sẽ dịch chuyển theo chiều thuận dẫn đến làm giảm hàm lƣợng NH3 trong nƣớc, làm giảm khả năng gây độc của NH3 đối với tôm cá. 14
Trong tự nhiên vi khuẩn nitrite hóa hiện diện rất nhiều: Nitrosococcuseanus, Nitrosococcus (thuộc phân lớp γ- proteobacteria), Nitrosomonas sp và Nitrosopira sp (thuộc phân lớp β- proteobacteria), Nitrosocystis, Nitrosolobus. Tất cả các vi sinh vật này đều giống nhau về mặt sinh lý, sinh hoá nhƣng khác nhau khác nhau về đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào. Tất cả đều thuộc loại tự dƣỡng bắt buộc, không có khả năng sống trên môi trƣờng thạch. Giai đoạn nitrat hóa : Chuyển NO2- thành NO3- (3) bởi nhóm vi khuẩn nitrate hóa. NO2 + 0,5 O2 --> NO3 (3) Sau quá trình nitrite hóa thì các vi khuẩn thuộc nhóm nitrate hóa sẽ thực hiện giai đoạn tiếp theo, chuyển hoá NO2- thành NO3- (là sản phẩm cuối cuả quá trình nitrat hóa). Các vi khuẩn tham gia vào quá trình nitrate hóa cũng là vi khuẩn hóa vô cơ tự dƣỡng, vi khuẩn nitrate hóa thƣờng gặp (gồm có 3 chi khác nhau): Nitrobacter vinogradskii, Nitrobacter agilis ( thuộc phân lớp α-Proteobacteria), Nitrospina gracili , Nitrococcus mobilis (thuộc phân lớp β–Proteobacteria). Quá trình nitrate hóa chỉ xảy ra trong điều kiện trong nƣớc có đầy đủ oxy lúc đó thì nồng độ của NO2- không vƣợt quá 0,5 mg/L, nhƣng khi trong nƣớc thiếu oxy thì NO2- sẽ tồn tại nhiều và gây độc cho tôm. Trong một số nghiên cứu thì quá trình nitrate hóa trong hồ các ao hồ nuôi thủy sản xảy ra không mạnh do vi sinh vật phát triển chậm, khả năng nitrate hóa khoảng 25–50g/m3/ngày. 1.1.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrate hóa[24] 1.1.2.1 Nhiệt độ Nhiệt độ cũng có ảnh hƣởng lớn đến hoạt động của nhóm vi sinh vật nitrate hóa này. Ở nhiệt độ thấp hơn 5 °C và cao hơn 40 °C vi khuẩn hoạt động rất chậm nên sự chuyển biến đạm NH4 thành đạm NO3 cũng rất chậm. Nhiệt độ tối hảo cho hoạt động của nhóm vi khuẩn này nằm trong khoảng 30 °C. Điều này giải thích đƣợc hiện tƣợng nitrate hóa xảy ra rất kém vào mùa đông và mùa hè, và xảy ra rất mạnh vào mùa xuân và mùa thu ở vùng ôn đới. 1.1.2.2 pH 15
Yếu tố quan trọng nữa có ảnh hƣởng đến hoạt động của vi khuẩn nitrite hóa và nitrate hóa là pH của đất. pH thích hợp cho hoạt động của vi khuẩn này thƣờng trên 6. Sự thích hợp với các mức độ pH khác nhau còn tùy thuộc vào loài và chủng vi khuẩn. Ở một số nơi, mức độ nitrate hóa giảm đi khi pH thấp hơn 6, rất thấp ở pH=5, và ngừng hẳn ở pH=4 hoặc thấp hơn. Ở cuộc đất khác, nitrate hóa xảy ra đƣợc ở pH=4,5, nhƣng ở nơi khác nữa vi khuẩn không hoạt động đƣợc ở pH này. Các vi khuẩn nitrate hóa sống trong đất chua, có mức pH tối ƣu 6,5, còn vi khuẩn ở nơi đất kiềm tính có mức pH tối hảo ở 7,8. Ngoài ảnh hƣởng hoạt động của vi khuẩn, pH còn ảnh hƣởng đến mật số các vi khuẩn này. Mật số vi khuẩn nitrate hóa tăng dần theo mức độ tăng pH từ chua sang kiềm tính. Do ảnh hƣởng này, việc bón vôi cho đất chua sẽ làm gia tăng tốc độ nitrate hóa các đạm ammonium trong đất. 1.1.1.3 Vi sinh vật Có 2 nhóm vi sinh vật tham gia 2 giai đoạn của quá trình này. Trong đó có 7 nhóm vi khuẩn tự dƣỡng: Nhóm vi khuẩn ôxít hoá NH4+ thành NO2-: nhóm này do 5 chi vi khuẩn đảm nhiệm: Vi khuẩn hình (que) bầu dục: Nitrosomonas. Vi khuẩn hình cầu: Nitrosococcus. Vi khuẩn xoắn: Nitrosospira. Vi khuẩn có khuẩn lạc nhầy nhụa (zoogloae) và có nang (cyst): Nitrosococystis. Vi khẩn có khuẩn lạc nhầy nhụa, không có nang: Nitrosogcola. Nhóm vi khuẩn ôxít hoá nitrite thành nitrate Vi khuẩn không có zoogloea: Nitrobacter. Vi khuẩn có zoogloea: Nitrocystis. Trong bảy chi vi khuẩn trên đây, Nitrosomonas và Nitrobacter là thƣờng gặp nhất. Ngoài các vi khuẩn trên, các vi sinh vật dị dƣỡng nhƣ Streptomyces, Pseudomonas, Aspergillus,Paracoccus, Thiosphaera pantotropha,Commamonas sp. và Alcaligences faecalis... cũng có tham gia quá trình chuyển hóa N này. 1.1.3.Ảnh hưởng của nitrate đến sức khỏe con người[] 16
Hàm lƣợng nitrate trong nƣớc cao có thể gây ra các bệnh về hồng cầu, dễ thấy nhất là bênh xanh da ở trẻ nhỏ. Dịch axid trong dạ dày trẻ nhỏ không đủ mạnh nhƣ của ngƣời trƣởng thành. Do đó, các loại khuẩn đƣờng ruột dễ dàng chuyển hóa nitrate thành nitrite (NO2 -). Tuyệt đối không cho trẻ nhỏ uống nƣớc hoặc ăn các loại thực phẩm có lƣợng nitrate vƣợt quá 10 mg/l NO3 --N. Khi Nitrite hấp thụ vào máu, các hemoglobin (phƣơng tiện chuyên chở ô xy trong máu) sẽ bị biến thành methemoglobin. Methemoglobin sẽ mất hoặc suy giảm chức năng vận chuyển ô xy, gây ra hiện tƣợng các tế bào (nhất là ở não) không đủ ô xy để hoạt động. Khác với ngƣời lớn, trong cơ thể trẻ em, Methemoglobin không thể chuyển hóa ngƣợc thành hemoglobin, khi não không đủ ôxy rất dễ dẫn đến tử vong. Một ngƣời trƣởng thành khỏe mạnh có thể chịu đƣợc một lƣợng Nitrate tƣơng đối lớn mà không bị ảnh hƣởng đến sức khỏe. Trên thực tế, phần lớn lƣợng nitrate xâm nhập cơ thể qua thực phẩm, cụ thể là các loại rau củ. Tuy nhiên, lƣợng nitrate này sẽ bị thải theo nƣớc tiểu. Thế nhƣng, nếu liên tục phải hấp thụ nitrate có thể sẽ dẫn đến mắc phải một số bệnh do sự hình thành của các nitrosamines. N- nitrosamine là những tác nhân gây ung thƣ khi thí nghiệm trên động vật. Hiện chƣa có các thí nghiệm trên cơ thể ngƣời để chứng tỏ nitrate có thể gây ung thƣ hay không. 1.1.4. Ảnh hưởng của nitrate đến các sinh vật thủy sinh[24] Không giống nhƣ nhiệt độ và oxy hòa tan, sự hiện diện của nitrat thƣờng không có ảnh hƣởng trực tiếp côn trùng thủy sinh hoặc cá. Tuy nhiên, mức độ dƣ thừa nitrat trong nƣớc có thể tạo ra các điều kiện mà làm cho nó khó khăn cho côn trùng thủy sinh hoặc cá để tồn tại. Tảo và thực vật khác sử dụng nitrat nhƣ là một nguồn thực phẩm. Nếu tảo có một nguồn không giới hạn của nitrate, tăng trƣởng của chúng là vô hạn. 17
Hình 1.2: Các con sông bị phú dƣỡng hóa, và nhiễm nitrate Các sông bên phải là màu xanh nhƣ súp đậu, một kết quả của nồng độ cao của tảo.Một lƣợng lớn tảo có thể gây ra biến động cực đoan trong oxy hòa tan. Quang hợp của tảo và thực vật khác có thể tạo ra oxy trong ngày. Tuy nhiên, vào ban đêm, oxy hòa tan có thể làm giảm đến mức rất thấp nhƣ là một kết quả của số lƣợng lớn các vi khuẩn oxy tiêu thụ ăn tảo chết hoặc đang phân hủy và thực vật khác. Trong hệ thống nƣớc ngọt hoặc cửa sông, nitrate có thể đạt đến mức độ cao có khả năng có thể gây ra cái chết của cá. Trong khi nitrate là ít độc hại hơn so với ammonia, nitrite, mức độ trên 30 ppm nitrate có thể ức chế sự phát triển, làm giảm hệ thống miễn dịch và gây ra căng thẳng ở một số loài thủy sản. Tuy nhiên, thí nghiệm độc tính cấp tính nitrate, mức độ nhiễm độc nitrat là chủ đề của cuộc tranh luận gần đây. Trong hầu hết các trƣờng hợp nồng độ nitrate dƣ thừa trong hệ thống thuỷ sản, các nguồn chính là bề mặt dòng chảy từ khu vực nông nghiệp,đã nhận đƣợc phân bón lƣợng nitrate vƣợt quá. Điều này đƣợc gọi là hiện tƣợng phú dƣỡng và có thể dẫn đến tảo nở hoa. Cũng nhƣ dẫn đến nƣớcbị ô nhiễm trầm trọng và trở thànhvùng chết , những bông hoa này có thể gây ra những thay đổi khác để chức năng hệ sinh thái, gây ra mất cân bằng hệ sinh thái. Kết quả là, nhƣ nitrate tạo thành một thành phần của tổng chất rắn hòa tan , chúng đƣợc sử dụng phổ biến nhƣ là một chỉ số về chất lƣợng nƣớc . 18