Nghiên cứu các vi sinh vật môi trường (Tái bản lần thứ tư): Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:113

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 cuốn sách "Vi sinh vật môi trường" trình bày các nội dung: Thế giới vi sinh vật, trao đổi chất và sinh trưởng vi sinh vật, vi sinh vật và các chu trình trình địa hóa học, vi sinh vật gây bệnh và ký sinh trùng trong nước thải sinh hoạt. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu các vi sinh vật môi trường (Tái bản lần thứ tư): Phần 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ Hồ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN Đ ỗ H ồ N G LA N C H I - B Ù I L Ê T H A N H K H IÊ T N G U Y Ễ N T H Ị T H A N H K IÊ U - L Â M M IN H T R IÊ T VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG
ĐỎ HỒNG LAN CHI - BÙI LÊ THANH KHIÉT NGUYÊN THỊ THANH KIÈU - LÂM MINH TRIÉT VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG (Tái bản lần thứ tư) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 2014
VI S IN H V Ậ T M Ô I T R Ư Ờ N G Đỗ Hồng Lan Chi - Bùi Lê Thanh Khiết - Nguyễn Thị Thanh Kiều Lâm Minh Triết NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ H ổ CHÍ MINH Khu phố 6 , Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, TPHCM Số 3, Công trường Quốc tế, Quận 3, TP Hồ Chí Minh ĐT: 38239171 - 38225227 - 38239172 Fax: 38239172 - E-m ail: vnuhp@ vnuhcm .edu.vn PHÒNG PHÁT HÀNH NHÀ XUAT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ H ồ CHÍ MINH Số 3 Công trường Quốc tế - Quận 3 - TPHCM ĐT: 38239170 -0982920509 - 0913943466 Fax: 38239172 - W ebsite: w w w .nxbdhqghcm .edu.vn Chịu trịc h nhiệm xuất bản: N G U Y Ê N HO ÀNG D Ũ N G Chịu trịc h nhiệm nội dung: N G U Y Ễ N HOÀNG D Ũ N G Tổ chức bản thảo ưà chịu trách nhiệm về tác quyền NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM Biên tập: PH Ạ M A N H TÚ - PHẠM VĂN THỊNH Sửa bản in: TRÀN VĂN THÁNG Trình bày bìa: XUÂN THẢO Mã số ISBN: 978-604-73-2066-0 Số lượng 1.000 cuốn; k h ổ 16 X 24 cm. Số dâng ký k ế hoạch x u ất bản: 1660-2013/CXB/25-99/ĐHQGTPHCM Q uyết đ ịnh x uất b ả n số: 49 ngày 24/02/2014 của NXB ĐHQGTPHCM. In tạ i Công ty TN H H In và Bao bì Hưng Phú 162A/1, KP1A, p. An Phú, TX T h u ận An, B ình Dương Nộp lưu chiểu quí II n ă m 2014
LỜI NÓI ĐÀU Trong nhùng năm 60 cùa thế kỳ XX, một trong những công việc chính của các kỹ sư thanh hóa (sanitary engineers) là xử lý nước thải. Thời kỳ này người ta đã thực hiện rat nhiều nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật để xử lý các chắt thải cũng như đế phát hiện và kiểm soát vi sinh gây bệnh. Ngày nay người ta gọi tên ngành “kỳ thuật môi trường” (environmental engineering) thay cho tên “kỹ thuật thanh hóa” (sanitary engineering) cùa nhũng năm 60. Theo đó, môn vi sinh kỹ thuật môi trườnị trở nên pho biến trong khoảng hai thập kỳ gần đây như một công cụ hữu ích cung cap kiến thức về vai trò cùa vi sinh vật trong quá trình xừ lý (hất ô nhiễm. Nhờ những kỳ thuật tiến bộ cùa sinh học phân từ và công r.ghệ di truyền, các kỹ sư môi trường và những nhà vi sinh học ngày càng cuan tâm đến bản chất quá trình phân hủy sinh học áp dụng trong xử lý :ác chất thải, các hóa chắt nguy hại nhằm tìm kiếm các phưomg thức h ệu quả kiểm soát các chat gây ô nhiễm. Xiắt bản tài liệu này, tác già mong muốn cung cắp kiến thức về vi sinh Vật học đại cương thường gặp trong kỹ thuật môi trường, về các quá trình sinh học trong xừ lý ô nhiễm. Nội dung sách bao gồm 15 chương, đi từ kiết thức cơ bản của vi sinh học, các yểu to vi sinh trong sức khỏe cộng ¿ong, đen các quá trình chuyến hóa, cơ chế sinh học trong xử lý môi trrờìĩg - đó là “sự giao thoa ” giữa hai ngành vi sinh học và kỹ thuật môi trrờng học. Thêm vào đó, các bài đọc thêm minh họa cho nội dung cũng cược long ghép cuối mồi chương trong lần tái bản này. Qiyển sách này có thế được dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên chuyêi ngành khoa học môi trường và kỳ thuật môi trường. Nó cùng có thê là ài liệu tham khảo của cán bộ nghiên cứu, cán bộ quàn lý và kỹ sư môi trrờng. Cíc tác giả trân trọng gừi đến người đọc và cảm ơn các ý kiến đóng góp đt sửa chừa các sai sót và nâng cao chất lượng trong lần tái bản tiếp th’o cho quyến “Vi sinh vật môi trường ” này. Các tác giả
V MỤC LỤC Lời nói đầu...................................................................................................................iii CHƯƠNG 1: THÉ GIỚI VI SINH VẬT...............................................................1 1.1. Giới t h iệ u ................................... * ....................................................................1 1.2. CÁU TRÚC TẾ BÀO............................................................................................. 3 1.2.1. Kích thước tế bào.......................................................................................3 1.2.2. Màng tế bào chất........................................................................................3 1.2.3. Vách tế bào................................................................................................. 4 1.2.4. Màng ngoài.................................................................................................4 1.2.5. Glycocalyx................................................................................................. 4 1.3. VẬT LIỆU DI TRUYỀN......................................................................................... 5 1.4. CÁC nhóm VI SINH CHỦ YẾU............................................................................6 1.4.1. Vi khuẩn...................................................................................................... 6 1.4.2. N ấm ............................................................................................................ 13 1.4.3. Tảo..............................; ......................... ................................................16 1.4.4. Protozoa và động vật cao hơn............................................................... 21 CHƯƠNG 2: TRAO ĐÔI CHÁT VÀ SINH TRƯỞNG VI SINH VẬT......30 2.1. Giới thiệu ........................................................................................... ’...........30 2.2. Enzyme và ĐỘNG HỌC ENZYME...................................................................30 2.2.1. Giới thiệu...................................................................................................30 2.2.2. Động học enzyme.................................................................................... 31 2.3. Trao đổi chát của VI SINH VẬT................................................................32 2.3.1. Giới thiệu...................................................................................................32 2.3.2. Dị hóa (Catabolism)................................................................................. 32 2.3.3. Đồng hóa (Anabolism)............................................................................39 2.3.4. Quang tổng hợp........................................................................................39 2.3.5. Phân loại trao đổi chất cùa vi sinh vật................................................. 40 2.4. Đ ộng Hộc sinh trưởng VI SINH VẬT........................................................44 2.4.1. Nuôi cấy tĩnh............................................................................................ 45 2.4.2. Sinh trường vi sinh vật trong điều kiện nuôi cấy liên tục...................47 2.4.3. Các thông số động học khác...................................................................48 2.4.4. Đo sinh khối vi sinh vật.......................................................................... 49 2.4.5. Các yếu tố ảnh hường đến sự tăng trường vi sinh vật........................ 50 CHƯƠNG 3: VI SINH VẬT VÀ CÁC CHU TRÌNH SINH ĐỊA HÓA HỌC ..................................................................56 3.1. GIỚI thiệu ........................................................................................................ 56 3.2. Vi SINH VẬT TRONG CHU TRÌNH N ............................................................... 56 3.2.1. Sự cố định N (Nitrogen fixation)........................................................... 57 3.2.2. Sự đồng hóa nitơ (assimilation)............................................................. 58 3.2.3. Sự khoáng hóa nitơ (ammonification).................................................. 59 3.2.4. Quá trình nitrát hóa (nitrification)......................................................... 59 3.2.5. Sự khừ nitrát hóa (denitrification)......................................................... 64
VI 3.3. Sự LOẠI Bỏ N TRONG CÁC CÔNG TRỈNH x ử LÝ NƯỚC THẢI...................... 67 3.4. TÁC ĐỘNG LOẠI Bố N TỪ CÁC CỔNG TRÌNH x ử LÝ NƯỚC THÁI LÊN M TRƯỜNG..................................................................................................... 68 ÔI 3.4.1. Tính độc.................................. 68 3.4.2. Sự suy giảm oxy của nguồn tiếp nhận..................................................68 3.4.3. Phú duờng hóa nước mặt.........................................................................68 3.4.4. Ãn m òn...................................................................................................... 68 3.5. Giới thiệu ........................................................................................................68 3.6. Vi SINH VẬT CỦA CHU TRÌNH PHOSPHO....................................................... 69 3.6.1. Khoáng hóa (Mineralization).................................................................. 69 3.6.2. Đồng hóa.................................................................................................... 69 3.6.3. Sự kết tủa của các hợp chất phospho.....................................................69 3.6.4. Khả năng hòa tan của vi sinh vật đối với các dạng phospho không tan................................................................................................... 70 3.7. Loại bỏ phospho trong các công trình xử lý nước thái...............70 3.8. Loại bỏ phospho bảng phương pháp sinh học .................................... 71 3.8.1. Vi sinh vật phân hủy các kết tủa hóa học của phospho..................... 71 3.8.2. Phân hủy phospho bời vi sinh vật......................................................... 71 3.9. Giới thiệu .............................. . . ...... .... .... ... ....... . 73 3.10. Vi SINH VẬT CỦA CHU TRÌNH LƯU HUỳNH.................................................74 3.10.1. Khoáng hóa lưu huỳnh hữu cơ.............................................................74 3.10.2. Đồng hóa................................................................................................. 74 CHƯƠNG 4: VI SINH VẬT GÂY BỆNH VÀ KÝ SINH TRÙNG TRONG NỨỚC THẢI SINH H O Ạ T .................. 80 4.1. CÁC yếu tồ của DJCH TỄ HỌC......................................................................80 4.1.1. Một số định nghĩa..................................................................................... 80 4.1.2. Chuỗi nhiễm trùng....................................................................................81 4.2. Vi SINH VẶT GÂY BỆNH VÀ KÝ SINH TRÙNG TÌM THÁY TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT..................................................................................... 84 4.2.1. Vi khuẩn gây bệnh.................................................................................. 85 4.2.2. Vi khuẩn tạo kháng sinh.......................................................................... 89 4.2.3. Virus gây bệnh.......................................................................................... 90 4.2.4. Ký sinh trùng protozoa............................................................................ 93 4.2.5. Giun sán..................................................................................................... 99 4.2.6. Những vi sinh vật gây bệnh khác.........................................................100 CHƯƠNG 5: VI SINH VẬT CHỈ THỊ.................................................................104 5.1. GIỚI thiệu ....... ...... 104 5.2. TỔNG QUAN VI SINH VẬT CHÌ THỊ............................................................... 105 5.2.1. Tổng số coliform..................................................................................... 105 5.2.2. Coliform phân..........................................................................................105 5.2.3. Streptococcus phân................................................................................. 106 5.2.4. Vi khuẩn kỵ k h í...................................................................................... 106 5.2.5. Bacteriophage..........................................................................................107 5.2.6. Nấm men và vi sinh vật kháng acid..................................................... 108
vii 5.2.7. Đem vi sinh dị dưỡng...........................................................................108 5.2.8. Chi thị hóa học của chất lượng nước....................... ..........................109 5.3. Phát HIẸN những VI SINH VẠT CHỈ THỊ................................................... 109 5.3.1. Phát hiện coliform phân và tổng coliform.......................................... 109 5.3.2. Phát hiện nhanh coliform.......................................................................111 5 3 3 Đếm đĩa dị dưỡng (HPC).......................................................................113 5.3.4. Bacteriophage......................................................................................... 114 5.4. Kết l u ậ n ........................................................................................................115 CHƯƠNG 6: KHỬ TRÙNG NƯỚC VÀ NƯỚC T H Ả I...............................118 6.1. Giói thiệu ...................................................................................................... 118 6.2. YẾU Tố ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH KHỬ TRÙNG........................................... 118 6.2.1. Hóa chất khử trùng.................................................................................118 6.2.2. Vi sinh vật................................ 118 6.2.3. Nồng độ khử trùng và then gian tiếp xúc............................................ 119 6.2.4. Tác động của pH.....................................................................................122 6.2.5. Nhiệt đ ộ ....................................................................................................122 6.2.6. Cạnh ưanh hóa học và vật lý đối với việc khừ trùng....................... 122 6.2.7. Tác dụng bảo vệ của nhừng động vật không xương sống.............. 123 6.2.8. Những yếu tố khác..................................................................................124 6.3. Chlor ....7....................................................................................................... 125 6.3.1. Hóa học của chlor...................................................................................125 6.3.2. Bất hoạt vi sinh vật bời chlor................................................................ 125 6.3.3. Tổn thương tế bào do chlor.................................................................. 126 6.3.4. Khả năng khử trùng cùa chlor tự d o .................................................... 126 6.3.5. Cơ chế tác động của chlor.....................................................................127 6.3.6. Độc tính của chlor và những sản phẩm phụ của chlor...................... 127 6.3.7. Chloramin hóa........................................................................................ 128 6.4. DIOXIDE CHLOR..............................................................................................131 6.4.1. Hóa học của dioxide chlor.................................................................... 131 6.4.2. Tác dụng của dioxide chlor trên vi sinh vật........................................131 6.4.3. Phưcmg thức tác động của dioxide chlor............................................ 132 6.4.4. Độc tính của dioxide chlor.....................................................................132 6.5. Oz o n e ............................................................................................................. 133 6.5.1. Giới thiệu................................................................................................. 133 6.5.2. Tác dụng của ozone lên vi sinh vật chi thị và gây bệnh..................133 6.5.3. Cơ chế tác dụng của ozone................................................................... 134 6.5.4. Tác động của sản phẩm phụ của ozone lên sức khỏe cộng đồng.... 134 6.6. Tia c ự c tímT.............. ........... 135 6.6.1. Giới thiệu................................................................................................. 135 6.6.2. Cơ chế sát khuẩn của tiacực tím ...........................................................136 CHƯƠNG 7: ĐẠI CƯƠNG QUÁ TRÌNH x ử LÝ SINH HỌC NƯỚC TH ẢI...................................................................................139
viii 7.1. Giới thiệu ......................................................................................................139 7.2. Một sổ thuật n g ữ .....................................................................................140 7.3. Quá trình xừ lý sinh học ........................................................................141 CHƯƠNG 8: x ử LÝ HIÉU K H Í............................................................................ 149 8.1. QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HIẾU KHÍ KINH ĐIÊN..................................................... 149 8.1.1. Thành phần hệ thống bùn hoạt tính kinh điển.................................. 149 8.1.2. Một số cải tiến của quá trình bùn hoạt tính.......................................150 8.1.3. Một số thông số hoạt đ ộ n g.................................................................. 152 8.2. LÝ THUYẾT TẠO BỔNG BÙN HOẠT TÍNH..................................................... 154 CHƯƠNG 9: BÙN HOẠT TÍNH........................................................................ 157 9.1. Giới THIỆU ............... .... ......... ......................................................157 9.2. S inh học của bùn hoạt t ín h .................................................................. 157 9.2.1. Khảo sát vi sinh vật hiện diện trong bông bùn hoạt tính.................157 9.3. Hiện tượng bung và lên bọt bùn hoạt tính .....................................160 9.3.1. Giới thiệu..................................................................................................160 9.3.2. Bung bùn có sợ i.......................................................................................162 9.3.3. Kỹ thuật để phân lập và xác định vi sinh vật sợ i.............................. 166 9.3.4. Khống chế hiện tượng bung bùn......................................................... 167 CHƯƠNG 10: XỬ LÝ KỴ KHÍ.....r.................................................................... 170 10.1. Giới thiệu ............................................... ..... .......................................... 170 10.2. Mô TÀ QUÁ TRÌNH........................................................................................171 10.2.1. Bẻ phân hủy một giai đoạn (Single-Stage Digestion)......................171 10.2.2. Bể phân hủy hai giai đoạn (Two-Stage Digestion).......................... 171 10.3. Quá trình sinh học kỵ k h í ................................................................... 172 10.3.1. Nhóm 1: vi khuẩn thủy phân (hydrolytic bacteria).........................172 10.3.2. Nhóm 2: vi khuẩn lên men acid (Fermentative acidogenic bacteria)..................................................... 172 10.3.3. Nhóm 3: vi khuẩn acetic (Acetogenic bacteria)................................172 10.3.4. Nhóm 4: V khuẩn metan (methanogens).......................................... 173 I 10.4. PHUƠNG pháp xác định VI KHUÂN MLTAN........................................... 173 10.5. CÁC yếu tố kiếm soát quá trình kỵ khí ........................................... 174 10.5.1. Nhiệt đ ộ .......... ....... . ......... .........................................................174 10.5.2. Thời gian lư u .........................................................................................174 10.5.3. p H .................................. 174 10.5.4. Cạnh tranh giữa vi khuẩn metan và vi khuẩn khử sulfate..............174 10.5.5. Các yếu tố gây độc................................................................................ 175 10.6. XỪLÝ KỴ KHÍ NƯỚC THẢI............................................................................175 10.6.1. Be tự hoại................................................................................................175 10.6.2. UASB .......... 177 CHƯƠNG 11: HÒ ỔN ĐỊNH SINH HỌC (HỒ SINH VẬT).......................181 11.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 181 11.2. Hồ TÙY TIỆN................................................................................................. 181 11.2.1. Sinh học của hồ tùy tiện .....................................................................181 11.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ....................................................................... 183
ix 11.2.3. Sự loại bò SS, N và p trong hồ sinh v ậ t....................................... 183 11.3. CÁC loại hô sinh vật ............................................................................... 184 11.4. S ự LOẠI BÓ VI SINH VẶT GÂY BỆNH TRONG HỒ SINH VẬT............185 CHƯƠNG 12: XÁC ĐỊNH Đ ộ c TÍNH NƯỚC THẢI TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ................................................................. 189 12.1. Giới THIỆU.................................................................................................... 189 12.2. TÁC ĐỘNG CỦA CHẤT Độc LÊN QUÁ TRÌNH XỪLÝ NƯỚC THÁI...........190 12.2.1. Kim loại nặng....................................................................................... 190 12.2.2. Chất độc hữu cơ....................................................................................191 12.3. T hí nghiệm khảo sát độc tính ............................................................ 192 12.3.1. Thử nghiệm enzyme............................................................................192 12.3.2. Thừ nghiệm vi sinh.............................................................................. 193 12.3.3. Các thừ nghiệm nhanh thương phẩm.................................................193 CHƯƠNG 13: HẠT KEO KHÍ VÀ MUI CÓ NGUỒN GỐC SINH VẬT TỪ CÁC CÔNG TRÌNH x ử LÝ NƯỚC TH Ả I............. . 200 13.1. G iới thiệu ....................................................................................................200 13.2. CO CHÉ BẢO VỆ CỦA HỆ HÔ HÁP CHỔNG LẠI KEO KHÍ NGUỒN GỐC SINH VẬT......................................................................................................... 201 13.3. Lày màu keo khí sinh VẬT....................................................................... 201 13.3.1. Lăng....................................................................................................... 201 13.3.2. Màng lọc.. ............................................. ." ........................................... 201 13.3.3. Ly tâm Reuter.......................................................................................202 13.3.4. Impinger................................................................................................202 13.3.5. Rây Andersen.......................................................................................202 13.3.6. Impinger ba giai đoạn May.................................................................202 13.3.7. Bộ kết tùa tĩnh điện kích thước lớ n .................................................. 202 13.4. MÔ HÌNH Dự BẢO ĐẺ ƯỚC TÍNH MỨC Độ CUỒN THEO GIÓ CỦA VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ..................................................................203 13.5. YÉU Tố KIÊM SOÁT Sự TỒN TẠI CỦA HẠT KEO KHÍ NGUỒN GỎC SINH VẬT............................. 204 13.5.1. Độ ẩm ....................................................................................................204 13.5.2. Nhiệt đ ộ .................... 205 13.5.3. Bức xạ mặt trời.................................................................................... 205 13.5.4. Loại vi sinh vật.................................................................................... 205 13.5.5. Yếu tổ khác...........................................................................................205 13.6. CÁC hạt keo khí sinh VẬT TỪ HỆ THỐNG xử LÝ NƯỚC THÀI VÀ ÀNH HƯỞNG ĐẾN sứ c KHỎE CON NGƯỜI....................................................205 13.7. MÙI PHÁT SINH Từ CÁC CÔNG TRÌNH Xử LÝ.............................................207 13.7.1. Các loại mùi..........................................................................................207 13.7.2. Xử lý ......................................................................................................207 CHƯƠNG 14: CHUYÊN HÓA SINH HỌC CÁC HỢP CHÁT DỊ SINH VÀ KIM LOẠI TRONG CÔNG TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC T H Ả I...................................................................211 14.1. Giới thiệu ................................................................................................. 211
X 14.2. PHÂN HỬY SINH HỌC TRONG M TRƯỜNG NƯỚC.................................. 212 ÔI 14.3. Sự BỀN VỮNG CỦA CÁC HỢP CHÁT.......................................................... 213 14.3.1. Sự khử halogen các hợp chất hữu cơ ............................................... 214 14.3.2. Đồng trao đồi chất..............................................................................215 14.3.3. Di truyền học của sự phân hủy các chất xenobiotics.....................215 14.4. ĐƯỜNG ĐI CỦA CHÁT XENOBIOTICS TRONG CÁC CỔNG TRÌNH x ừ LÝ NƯỚC THẢI.....................................................................................................216 14.4.1. Các quá trình lý hóa............................................................................216 14.4.2. Quá trình phân hủy sinh học............................................................. 217 14.5. Loại bò các chát hữu co độc HẠI BÀNG QUÁ TRÌNH SINH HỌC HIẾU KHÍ.......................................................................................................... 218 14.6. Loại bỏ các chát hửu co độc hại bàng quá trình kỵ khí..........220 14.7. Chuyên hóa sinh hqc các kim loại....................................................221 14.7.1. Trao đổi chất và chuyển hóa sinh học kim lo ạ i...............................221 14.7.2. Chuyển hóa sinh học một số kim loại đặc b iệt................................222 CHƯƠNG 15: VI SINH VẬT TRONG HỆ THỐNG x ử LÝ VÀ PHÂN PHỐI NƯỚCCÁP.............. 225 15.1. Giói thiệu . .................. 225 15.2. TỎNG QUAN CÁC QUÁ TRÌNH TRONG NHÀ MÁY NƯỚC CẤP..................225 15.3. VI SINH VẬT TRONG HỆ THỔNG CẢP NƯÓC............................................. 226 15.3.1. Dự trử nước thô (raw water).............................................................. 226 15.3.2. Tiền chlor hóa (prechlorination)........................................................226 15.3.3. Keo tụ - đông tụ .................................................................................. 226 15.3.4. Làm mềm nước........................................ 226 15.3.5. Lọc nước............................................................................................... 227 15.4. Vi SINH VẬT TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỔI NƯỞC................................. 227 15.4.1. Ảnh hường của vi sinh vật trong hệ thống phân phối nước cấp ...227 15.4.2. Tăng trưởng của vi sinh gây bệnh và trong hệ thống phân phối nước...................................................................................... 228 15.5. Một Sỏ Vân đê DO VI SỈNH VẬT TRONG HỆ THỐNG PHẢN PHỐI NƯỚC 229 15.5.1. Mùi và vị........................... ........................ .. . . ........... . 229 15.5.2. Tảo, nấm, protozoa, xạkhuẩn............................................................ 230 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 234
Chương THẾ GIỚI VI SINH VẬT 1.1. G IỚ I T H IỆ U Te bào sinh vật được chia thành hai nhóm: nhóm tiền nhân (procaryote) như vi khuẩn và nhóm có nhân thật (eucaryote) như nấm, nguyên sinh động vật, tảo, tế bào thực vật và động vật. Virus là những ký sinh nội bào bắt buộc thì không thuộc hai nhóm tế bào này. Nhừng đặc điểm chính để phân biệt hai nhóm procaryote và eucaryote như sau (Hình 1.1): - Te bào eucaryote thường phức tạp hơn tế bào procaryote. - Ỏ tế bào eucaryote thì ADN có màng nhân được gắn với histon và những protein khác. - Ở tế bào eucaryote thì các bào quan thường có màng bao bọc. - Tế bào procaryote thường sinh sản bằng cách nhân đôi (binary) ưong khi tế bào eucaryote sinh sản bàng con đường phân bào gián phân (mitosis). - Trong tế bào procaryote thường văng mặt một số bào quan như thể Golgi, lưới nội chất, ty thể, lục lạp. Hình 1.1. Cấu trúc tế bào prokaryote (a) và eukaryote (b)
2 Vi sinh vật mỏi trường Sự khác nhau giữa tế bào procaryote và eucaryote được trình bày trong bảng 1. 1. Bảng 1.1. So sánh procaryote và eucaryote Eucaryote Procaryote (nấm, nguyên sinh động vật, (vi khuẩn) tào, thực và động vật) Vách tế bào Có ở hầu hết procaryote Không có ở tế bào động vật, có ở thực vật, tảo và nấm Màng tế bào Lớp đôi phospholipid Lớp đôi phospholipid + sterol Ribosome Kích thước 70S Kích thước 80S Lục lạp Không Có Ty thể Không có, hô hấp thực Có hiện ở màng nguyên sinh chất Thể Golgi Không Có Lưới nội chất Không Có Không bào khí Có ở một số loài Không Bào từ Có ờ một số loài Không Chuyển động Tiên mao hoặc roi Tiên mao hoặc roi gồm (flagella) gồm một sợi nhiều vi ống Màng nhân Không CÓ ADN Một phân từ sợi đcm ADN gắn với histon ở một vài nhiễm sắc thể Phân chia tế bào Nhân đôi Gián phân Khả năng cố Có Không định nitơ Tiêm mao (pilli) 0,01-0,02 p Khoảng 0,2 Ịi Kích thước tế 0,2-2,0 ụ > 2,0 p bào Ty thể Không Cỏ
Chương 1 - Thế giới vi sinh V I Ộ 3 1.2. CÁU TRÚC TÉ BÀO 1.2.1. Kích thước tế bào Ngoại trừ vi khuẩn dạng chuồi, các tế bào procaryote thường nhỏ hom tế bào eucaryote. Các té bào nhỏ hom lại có tốc độ tăng trưởng cao hom những té bào lớn. Điều này được giải thích do các tế bào nhỏ có tỷ số diện tích tiếp xúc nhiều hom nhừng tế bào lớn. Các hoạt động trao đổi chất cao hom ờ các tế bào nhò là do phần diện tích tiếp xúc này, chúng vận chyển các chất dinh dưỡng vào trong tế bào và thải các sản phẩm thải ra khỏi tế bào. 1.2.2. Màng tế bào chất Màng tế bào chất là một màng bán thấm có chiều dày 40 - 80 A° được cấu tạo bởi lớp đôi phospholipid với các protein được khảm bên ưong lớp đôi này. Lớp đôi phospholipid được cấu tạo bởi các acid béo với các đầu kỵ nước (hydrophobic) quay vào ưong lớp đôi và các đầu ưa nước (hydrophilic) quay ra ngoài. Một số ion như Ca‘+ và Mg2" giúp ổn định cấu trúc màng. Tham gia vào thành phần cấu tạo của màng tế bào eucaryote và procaryote còn có các sterols và một so lipid. Các hóa chất sẽ xâm nhập màng sinh học của tế bào bàng các con đường khuếch tán, vận chuyển chủ động và thực hoặc ẩm bào. Khuếch tán. Với tính chất kỵ nước của màng tế bào, các hợp chất ưa dầu mỡ (lipophilic) sẽ dễ dàng xâm nhập màng hom là các hợp chất ion hóa. Tốc độ khuếch tán các chất qua màng tế bào sẽ phụ thuộc khả năng hòa tan lipid của chúng và gradient nồng độ qua màng. pro te in v in chuyên g lyco p ro te in ỉn g te n hydratcarbon lớp
4 Vi sinh vật môi trường Thực hoặc ấm bào (Endocytosis). Trong tế bào eucaryote, một số chất có thể đi vào tế bào bàng endocytosis, với sự giúp đỡ của khuếch tán và vận chuyển chù động. Endocytosis bao gồm thực bào (phagocytosis) thu lấy các hạt và ẩm bào (pynocytosis) thu lấy các chất hòa tan. 1.2.3. Vách tế bào Tất cả vi khuẩn, trừ vi khuẩn nhày (mycoplasma) đều có vách tế bào. Cấu trúc này duy trì hình dạng, bảo đảm độ cứng của tế bào, và chúng cũng bảo vệ tế bào khỏi áp suất thẩm thấu cao. Vách tế bào cấu tạo bởi mucopolysaccharid gọi là peptidoglycan hay murein (dây glycan liên kết với các chuồi peptid). Peptidoglycan bao gồm N-acetylglucosamine, acid N- acetylmuramic, và các acid amin. Khi tiến hành nhuộm gram, sự khác biệt giữa vi khuan gram âm và gram dưorng là do thành phần vách tế bào của chúng. Các lớp peptidoglycan của vi khuẩn gram dưorng thường dày hon vi khuẩn gram âm. Thêm vào đó, lớp peptidoglycan của vi khuẩn gram dưcmg còn có acid teichoic với các nhóm alcohol và phosphate. Te bào động vật không có vách tế bào nhưng trong những tế bào eucaryote khác, vách tế bào có thể có Cellulose (như thực vật, tào, nấm), có chitin (như nấm), có silic (như tào silic) hoặc Polysaccharid như glucan hoặc mannan (nấm men). 1.2.4. Màng ngoài Lớp màng ngoài của vi khuẩn gram âm chứa phospholipid, lipopolysaccharid và protein. Lipopolysaccharid chiếm 20% trọng lượng màng ngoài, bao gồm vùng kỵ nước (lipid A) bao bọc một lồi Oligosaccharid. Lipopolysaccharid còn giữ các cation hóa trị 2. Protein chiếm 60% trọng lượng màng ngoài và nhô một phần ra phía ngoài. Một Số protein tạo thành những lỗ chiếm đầy nước (porins) đề các hợp chất ưa nước đi qua. Những protein khác là nhừng protein cấu trúc bởi vì chúng giúp cho màng ngoài và vách tế bào liên kết với nhau. Màng ngoài của vi khuẩn gram ảm là một rào cản rất hiệu quả giúp tế bào ngăn các hoá chất ưa nước (như một số kháng sinh, chất lạ xenobiotic) nhưng màng ngoài lại bán thấm đổi với những hợp chất ưa nước, đó là một số dinh dưởng chính của tế bào. Các loại hóa chất (như EDTA, polycation) và một số xử lý vật lý (như tác nhân nhiệt, đông lạnh, làm khô) hay nhừng thay đổi di truyền có thể làm tăng tính bán thấm của màng ngoài đổi với những hợp chất kỵ nước. 1.2.5. Glycocalyx Glycocalyx được tạo bởi các chất cao phân tử ngoại bào, bao quanh tế
Chương 1 - Thế giới vi sinh vật 5 bào, cấu tạo bời polysaccharid. ờ một số tế bào, glycocalyx tạo thành nang (capsule). Một số tế bào khác glycocalyx bao gồm những chất cao phân tử cất trúc lòng lẻo và chúng có thể rải rác trong môi trường nuôi cấy. Xét theo quan điểm y học và môi trường, các hợp chất cao phân tử ngoại bào rất quan trọng: ( 1) nang đóng góp tính độc của các vi khuẩn gây bệnh, (2) những tế bào được bao bọc bời nang có thể chống lại được sự thực bào, (3) những chất cao phân từ ngoại bào có thể giúp vi khuẩn hấp thu vào các bề mặt khác nhau như bám vào răng, bám vào những bề mặt nhớt nhày, ống nước, (4) nang bảo vệ tế bào khỏi bị khô, (5) chúng đóng vai trò tạo phức với kim loại đặc biệt trong các công trình xử lý nước thải, (6) chúng giúp cho sự tạo thành bông bùn trong quá trình bùn hoạt tính. 1.3. VẬT LIỆU DI TRUYỀN Ỏ tế bào procaryote, phân từ ADN có vòng đơn, chúng tồn tại bên trong tế bào và không bao quanh màng nhân. Procaryote có thể chứa một phân tử ADN nhỏ vòng đơn, gọi là plasmid. Eucaryote có nhân rồ ràng được bao bọc bởi màng nhân. Màng nhân có các lỗ T •' * 0 rất nhỏ cho phép trao đổi giữa bên trong chất nhân và nguyên sinh chất tế bào. DN* ADN liên kết với histon tồn tại ở các Double > nhiễm sắc thể. Tế bào phân chia bàng Helte . V ..' . ' , gián phân, trong đó bất đầu bàng sự nhân đôi các nhiễm sắc thể. Mỗi tế bào con lại *• * j* mang một bộ nhiễm sắc thể giống như tế • §• *• bào mẹ. i . .* •- • » Các acid di truyên gôm ADN s «•• • *.0 4 m “ (deoxyribonucleic) và ARN (ribonucleic). Phân từ ADN là chuỗi xoắn kép gồm Hình 13. Chuồi xoắn kép hàng triệu đơn vị gọi là nucleotid. ADN Nucleotid liên kết với nhau qua các cầu nối phospho. Nhỏm hydroxyl của đường pentose (C 3’) sỗ liên kết với nhóm phosphate cùa c 5’ của pentose kế tiếp. Có 4 bazơ cơ bản của ADN, 2 purin là adenin và guanin, 2 pyrimidin là cytosin và thymin. Các bazơ sẽ bắt cặp với nhau thông qua các cầu nối hydro, guanin luôn bắt cặp với cytosin, còn adenin luôn bắt cặp với thymin. ARN thường chi có một sợi (một so virus có sợi đôi ARN) và chứa đường ribose thay vì deoxyribose, uracil thay vì thymin.
6 V sinh vật môi trường í' 1.4. CÁC NHÓM VI SINH CHỦ YẾU 1.4.1. Vi khuẩn Nhóm vi sinh vật cơ bản quan trọng trong kỹ thuật môi trường là vi khuẩn. Vi khuẩn được sừ dụng dưới những điều kiện kiểm soát được trong các trạm xử lý nước thải để xừ lý các chất hữu cơ. 1.4.1.1. Phăn bố Vi khuẩn được tìm thấy khắp nơi trong tự nhiên: trong nước, trong đất, và trong không khí. Hầu hết vi khuẩn được tìm thấy trong nước và ữong đất có độ ẩm cao, bời vì vi khuẩn cần môi trường lòng để lấy thức ăn. Vi khuẩn ưong không khí được liên kết với phần lớn vật chất riêng biệt. Vi khuẩn phân bố trong tự nhiên theo sự hiện diện của chất dinh dưỡng. Để biết tại sao vi khuẩn có thể ỏn định chất hừu cơ trong chất thải, làm thế nào chúng thực hiện ổn định chất hữu cơ, và làm thế nào sử dụng những kiến thức này trong thiết kế và vận hành xử lý chất thải, cần phải biết và hiểu chức năng từng phần của tế bào vi khuẩn. 1.4.1.2. Hình dạng Vi khuẩn có ba dạng: (a) hình que, (b) hình cầu, và (c) hình xoắn. Ba dạng của vi khuẩn được cho trong hình 1.2. Các tên kỹ thuật cho ba dạng này là bacillus (hình que), coccus (hình cầu), và spirillum (hình xoắn). Các hình thái của ba dạng vi khuẩn rất thay đổi. Hình que là dạng thông thường nhất và có thể được quan sát trong ba nhóm phân biệt: (a) các tế bào riêng lẻ, (b) diplo hay các tế bào sinh đôi, và (c) chuỗi tế bào. Người ta thường quan sát được cả hai dạng riêng lè và sinh đôi trong Hình 1.4. Hình dạng tế bào vi khuẩn môi trường nuôi cấy vi khuẩn, vì tât cả hình que sẽ xuất hiện như sinh đôi ngay crước khi phân chia. Một số vi khuẩn có dạng chuồi và dạng chuỗi này có thể thay đổi tùy thành phần hóa học của môi trường. Te bào vi khuẩn hình cầu có thể tồn tại: (a) riêng lè, (b) diplo, (c) tứ cầu, (d) khối vuông, (e) chuỗi, và (f) bụi (cục). Sự hình thành tứ cầu và khối vuông có thể là khối cầu nơi không có hình que, như hình que luôn luôn phân
Chương 1 - Thế giới vi sinh vật 7 chia dọc theo trục ngang. Nhưng trong khối cầu không có trục ngang xác định. Sự kiện một vài khối cầu tạo thành cơ cấu xác định bổ sung cho sự nhận biết chúng, Sarcina tạo khối vuông, trong khi Streptococcus tạo dạng chuồi và Staphylococcus tạo thành dạng các chùm nho. Hình 1.5. Hình 1.6. E. coli Hình 1.7. Staphylococcus Clostridium aureus perfmgens Hình 1.8. Neisseria gonorrhoeae Hình 1.9. Neisseria meningitidis 1.4.1.3. Kích thước Kích thước của các tế bào riêng lẻ thay đổi theo các giới hạn rộng nhiều hơn. Giới hạn kích thước tế bào thay đổi từ 0,3 micron đến 50 micron. Giới hạn cho các vi khuẩn bình thường là từ 0,5 đến 3,0 micron. Hình que trung bình từ 0,5 đến 1 micron chiều rộng và 3,0 micron chiều dài. Hình cầu trung bình là từ 0,5 đến 1,0 micron đường kính, trong khi tế bào xoắn có kích thước trung bình từ 0,5 đến 5,0 micron chiều rộng và 6 đến 15 micron chiều dài. 1.4.1.4. Tế bào học Cấu trúc tế bào có thể được nghiên cứu tốt nhất ở dạng hình que, tiêu biểu như trong hinh 1.10. Từ ngoài vào trong, sỗ có các thành phần sau đây.
8 V sinh vật môi trường í' Màng nhầy Màng nhầy là lớp ngoài cùng của tế bào vi khuẩn. Mặc dù các thành phần hóa học đã được biết, người ta vẫn hiểu rất ít về chức năng của chúng. Lớp màng nhầy tích tụ polysaccharid xung quanh tế bào. Nó không đóng bất kỳ vai trò nào trong sự tăng trường của tế bào, nhưng lại xuất hiện như một sản phẩm phân hủy của thành phần vách tế bào. Lúc đầu người ta cho rằng màng nhầy là chất tiết từ trong tế bào nhưng kích thước phân tử được tìm thấy của chúng quá lớn để có thể thấm qua vách té bào. Màng nhầy luôn luôn được xem là phần quan trọng trong lớp nhầy của bể lọc sinh học và trong bông bùn hoạt tính. Giả thiết một số vi khuẩn tiết ra màng nhầy đặc biệt để liên kết Hình 1.10. Tê bào hình que với nhau và để hấp dẫn thức ăn đã được chứng tò hoàn toàn sai. Sự tạo thành màng nhầy là kết quà thông thường quá trình trao đổi chất của tất cả vi khuẩn. Nếu vi khuẩn chuyển động, màng nhầy bị trượt từ bề mặt tế bào. Hiện tượng này làm cho một số người quan sát nghi ngờ vi khuẩn có màng nhầy hay không, bởi vì không thể thấy được màng nhầy ở các tế bào quá ữẻ và quá chuyển động. Sự chuyển động làm cho màng nhầy tạo được hình dạng của tế bào và xuất hiện môt bề dày ổn định xung quanh tế bào. Khi màng nhầy đã có bề dày ổn định, nó được gọi là nang. Sự dễ dàng bị nia trôi của màng nhầy từ bề mặt té bào chứng tỏ độ bền vừng cau trúc của phân từ Polysaccharid là yếu. Khảo sát cấu trúc polysaccharid màng nhầy cho thấy một số nhóm phản ứng hóa học, gây ra tính trơ hóa học của loại chất liệu này. Điều này được xác nhận thêm bằng các nỗ lực minh họa nhuộm màng nhầy. Màng nhầy không thể được nhuộm bàng các thuốc nhuộm acid hay thuốc nhuộm cơ bản thông thường vì có một số nhóm phản ứng hóa học trong polysaccharid của màng nhầy. Polysaccharid màng nhầy có thể được thấy chi khi xừ lý với hóa chất để oxy hóa polysaccharid thành các nhóm phản ứng hoặc sử dụng thuốc nhuộm phàn ứng với nhóm hydroxyl bên trong phân tử polysaccharid. Tính ươ của polysaccharid màng nhầy ngăn cản sự phân hủy chúng bời vi sinh vật và cho phép chúng tích tụ.
Chương 1 —Thé giới Ví' sinh VỘI 9 Khi vi khuẩn già và giảm chuyển động, màng nhầy polysaccharid tích tụ xung quanh tế bào lớn hom. Nhừng tế bào không chuyển động tích tụ rất nhiều màng nhầy đến nỗi chúng bị xem là các dạng zoogloea. Sự hiện diện lượng lớn màng nhầy xung quanh vi khuẩn chứng tỏ hệ thống già, đã già và hoạt động trao đổi chất kém. Vách tế bào Vách tế bào nằm dưới lớp màng nhầy và chịu trách nhiệm quy định hình dạng tế bào. về mặt hóa học, vách tế bào là polymer của protein- polysaccharid có tính phản ứng hóa học yếu. cấu trúc phân tử của vách tế bào là những phân từ tưomg đối lớn có thể xuyên ngang vách tế bào. Trong trường hợp này vách tế bào hoạt động như một cái rây kiểm soát kích thước các phân từ xâm nhập tế bào. Màng nguyên sinh chất Màng nguyên sinh chất nằm bên dưới vách tế bào. Nó là phức hợp của lipoprotein kiểm soát các phần của tất cả các chất đi vào và ra khỏi tế bào. Sự hiện diện cùa các nhóm hóa học hoạt tính cao hướng dần các chất đi vào đến các vị tri cần thiết bên trong tế bào để thực hiện các phản ứng tiếp theo. Việc kiểm soát các chất bên ưong tế bào được thực hiện bởi một hàng rào vật lý, cũng như bời các chất tải điện từ. Màng nguyên sinh chất là vị trí vận tải bề mặt của vi khuẩn. Nguyên sinh chất Khối tế bào vi khuẩn được tạo bởi một dung dịch keo của protein, lipid, và carbohydrat được gọi là nguyên sinh chất. Các phản ứng hóa học chủ yếu xảy ra trong nguyên sinh chất tại các bề mặt keo. Pha lỏng là pha chuyển đòng trong đó các chất hóa hục hòa tan chuyên động. Các sản phâm cuòi cúa quá trinh trao đổi chất được giải phóng từ bề mặt keo đi vào ứong pha lỏng và sau đó ra khỏi tế bào. Có một số cấu trúc không hòa tan ưong nguyên sinh chất, chủ yếu là nhân. Nhân Trung tâm của vi khuẩn là nhân. Nhân được tạo bời nucleo-protein và chịu trách nhiệm tất cả các phản ứng hóa học xảy ra ưong tế bào. Các enzyme xúc tác tất cả các phản ứng sinh hóa ưong tế bào đều có nguồn gốc từ nhân. Các đặc trưng di truyền của vi khuẩn đều từ nhân. Chừng nào nhân còn nguyên vẹn, tế bào sẽ còn duy trì các chức năng, cũng như vẫn còn nguyên vẹn khả năng sửa chừa các sai hòng và tạo ra các thành phần tế bào mới.
10 Vi sinh vật môi trường Các thể ẩn nhập Các thể ẩn nhập khác trong tế bào chất thay đồi theo từng tế bào và thay đối theo từng điều kiện môi trường khác nhau. Các thể ẩn nhập thường gặp là volutin, polysaccharid, lipid và sulfur. Volutin là acid pentosenucleic có thể được dùng như nguồn dự trữ để tổng hợp nhân. Thể ẩn nhập polysaccharid có thể là glycogen hoặc tinh bột được tìm thấy ưong sự hiện diện dư thừa chất hữu cơ hay thiếu nguồn nitơ. Lipid hay các thể ẩn nhập là chất béo xuất hiện khi có dư thức ăn năng lượng cao như carbohydrat. Cả hai thể ẩn nhập polysaccharid và lipid hoạt động như nguồn thức ăn dự trừ khi cần trao đổi năng lượng. Vi khuẩn trao đổi Sulfur thường tích tụ sulfur tự do trong tế bào. Không một thể ẩn nhập nào dong số này xuất hiện trong vi khuẩn trừ khi dưới những điều kiện dư thừa các chất dinh dường năng lượng và thiếu hụt chất dinh dưỡng tổng hợp. Tiên mao Loại vi khuẩn chủ yếu được các kỳ sư môi trường quan tâm là các loại bơi tự do. Cơ quan kết hợp chuyển động cùa vi khuẩn là tiên mao. Có những tranh luận về cơ chế chuyển động. Một số người quan sát có cảm giác tiên mao không gây ra chuyển động nhưng nó là thứ được tạo ra do dòng màng nhầy polysaccharid. Những nghiên cứu gần đây cho thấy tiên mao gồm chủ yếu là protein, loại bò khả nâng tiên mao do màng polysaccharid. Các ành hiển vi điện từ cho thấy tiên mao có nguồn gốc ưong tế bào và có cấu trúc xác định. Bào tử Sự cần thiết phải tồn tại dưới những điều kiện môi trường khó khăn dần đén sự hình thành bào từ ở môt số loài vi khuẩn. Bào tử vi khuẩn tạo ra chi khi các tế bào bình thường, khoẻ mạnh tự nó tìm thấy trong những môi trường thay đổi bất lợi từ từ. Bào từ tạo ra khi nhân trờ nên được bao quanh bời một lớp vò polysaccharid rất đậm đặc. Vò polysaccharid bảo vệ nhân cho đến khi các điều kiện môi trường thuận lợi được thiết lập, lúc đó nhân mờ rộng ra toàn bộ tế bào và vò polysaccharid bị loại bò. 1.4.1.5. Thành phần hóa học Sự tăng trường bình thường của vi khuẩn trong điều kiện dinh dưỡng dư thừa làm cơ sờ để xác định thành phần hóa học của vi khuẩn. Khảo sát nhiều vi khuẩn khác nhau tăng trưởng dưới những điều kiện môi trường khác nhau chi ra rằng vi khuẩn có 80% nước và 20% chất khô. Chất khô có 90% là chất hừu cơ và 10% là chất vô cơ. Phần hừu cơ gồm 53% carbon, 29% oxy, 12%