Tài liệu Phân lập, tuyển chọn và ứng dụng một số vi khuẩn có khả năng phân giải xenlulo, góp phần xử lý rác t

ĐỀ TÀI: Phân lập, tuyển chọn và ứng dụng một số vi khuẩn có khả năng phân giải xenlulo, góp phần xử lý rác thải sinh hoạt
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
PHẦN 1:TỔNG QUAN
1.1. Rác thải sinh hoạt
1.1.1.Nguồn gốc
1.1.2. Thành phần rác thải sinh hoạt
1.1.3.Phân loại
1.2. Vi sinh vật và vai tṛ của vi sinh vật trong các chu tŕnh biến đổi chất
1.2.1. Vi sinh vật
1.2.2. Vai tṛ của vi sinh vật ṿng tuần hoàn chuyển hoá nguyên tố cacbon
1.2.2.1. Sự phân giải các hợp chất Gluxit
1.2.2.1.1. Sự phân giải các hợp chất đường
1.2.2.1.2. Sự phân giải tinh bét
1.2.2.1.3. Sự phân giải Xenlulo
1.2.2.1.4. Sự phân giải Xilan
1.2.2.1.5. Sự phân giải Lignin
1.2.2.2. Sự phân giải Lipit
1.2.2.3. Sự phân giải Protein
1.2.3. Vi sinh vật ṿng tuần hoàn chuyển hoá Nitơ
1.2.4. Vi sinh vật ṿng tuần hoàn chuyển hoá Photpho
1.2.5. Vi sinh vật ṿng tuần hoàn chuyển hoá Lưu huỳnh
1.3. Phương pháp xử lư rác thải sinh hoạt
1.3.1. Xử lư chất thải hữu cơ trong điều kiện hiếu khí
1.3.2. Xử lư chất thải hữu cơ trong điều kiện kị khí
1.3.3. Nhu cầu các chất dinh dưỡng của vi sinh vật
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá tŕnh xử lư
1.4.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá tŕnh ủ rác
1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá tŕnh xử lư nước rác
PHẦN 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Mục đích của thực nghiệm
2.2. Một số phương pháp nghiên cứu vi sinh vật học
2.2.1. Phương pháp chuẩn bị môi trường dinh dưỡng
2.2.2. Chuẩn bị dụng cụ
2.2.2.1. Rửa dụng cụ thuỷ tinh
2.2.2.2. Làm nút bông và bao găi
2.2.2.3. Khử trùng dụng cụ thí nghiệm
2.2.2.4. Phương pháp tạo môi trường
2.2.3. Tiến hành phân lập vi khuẩn
2.2.4. Phương pháp nuôi cấy
2.2.5. Tinh sạch
2.2.6. Xác định hoạt tính phân huỷ Xenlulo của vi khuẩn bằng phương pháp đặt thạch
2.2.7. Hoá chất và dụng cụ
2.3. Phương pháp phân tích xác định chỉ số COD và nồng độ amoni, nồng độ Nitrat
2.3.1. Xác định chỉ số COD
2.3.2. Xác định amoni trong nước rác
2.3.3. Xác định Nitrat
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1.Phân lập vi khuẩn có khả năng phân giải Xenlulo từ phần chất xơ trong dạ dày ḅ.
3.2. ứng dụng vi khuẩn từ phần chất xơ vào quá tŕnh phân huỷ rác thải.
3.3. Phân lập vi khuẩn có khả năng phân giải Xenlulo có trong nước rác ṛ rỉ.
3.4. xác định khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ của vi khuẩn trong nước rác ṛ ri.
3.5. Hướng nghiên cứu mới.
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
MỞ ĐẦU

Môi trường hiện nay đang trở thành vấn đề mang tính toàn cầu. Nó đ̣i hỏi phải có sự phối hợp chặt chẽ, lâu dài, sự đầu tư hợp lư, đồng bộ nhằm giảm thiểu những ảnh hưởng có hại gây sự suy thoái và huỷ hoại môi trường. Cùng với sự phát triển của Khoa học- Công nghệ mức độ đô thị hoá ngày càng nhanh chóng, nhu cầu của con người cũng tăng rất nhanh trong những năm gần đây.
Từ thực tiễn, do chất thải rắn chỉ được thu gom, mà không được phân loại và xử lư tại nguồn phát sinh nên đă gây ô nhiễm môi trường ở tất cả các khâu: từ thu gom, lưu giữ trong nhà, rơi văi trên đường phố trong vận chuyển đến ô nhiễm tại băi rác. Nếu cứ giữ nguyên phương thức thu gom xử lư chất thải rắn như hiện nay th́ quy mô băi rác cứ ngày càng tăng, chi phí cho xây dựng các băi chứa rác càng lớn. Vấn đề di chuyển, quy hoạch một băi rác mới không phải là đơn giản.
Chất thải rắn sinh hoạt là mối quan tâm không chỉ của các nhà quản lư, các nhà khoa học mà cả chính của người dân ở địa bàn sinh sống. Vấn đề đặt ra là cần có một phương pháp xử lư rác thải phù hợp, tiện lợi, dễ tiến hành nhất, nhằm giữ ǵn môi trường cảnh quan đồng thời giảm thiểu mức độ ô nhiễm.
Dựa trên quan điểm đó, với hướng cần phân loại rác thải để phục vụ cho mục đích phân huỷ bằng phương pháp sinh học. Trong nội dung khoá luận này, chúng tôi tập trung nghiên cứu : Phân lập, tuyển chọn và ứng dụng một số vi khuẩn có khả năng phân giải xenlulo, góp phần xử lư rác thải sinh hoạt





TỔNG QUAN

1.1. Rác thải sinh hoạt
1.1.1. Nguồn gốc
Rác thải sinh hoạt tạo ra từ các nguồn chủ yếu sau :
- Từ các khu dân cư.
- Từ các trung tâm thương mại.
- Từ các cơ sở trường học, công tŕnh công cộng.
- Từ dịch vụ đô thị, sân bay.
- Từ các hoạt động xây dựng đô thị.
- Từ các trạm xử lư nước thải, đường ống thoát nước của thành phố.
1.1.2. Thành phần

Rác thải sinh hoạt có thành phần rất phức tạp nh­ :
- Những hợp chất vô cơ: kim loại, sành sứ, gạch ngói vỡ, đất đá.
- Những hợp chất hữu cơ: các loại thực phẩm dư thừa hoặc quá hạn sử dụng, xương động vật, rau xanh, vá hoa quả, các loại tre gỗ, lông gà, lông vịt, vải sợi, giấy, xác động - thực vật, cao su, nhựa .
- Những loại khác: các hợp chất dễ bay hơi, trong đó có những chất mang mùi nặng.
1.1.3. Phân loại

Rác thải được đưa vào môi trường từ nhiều nguồn khác nhau. Dựa trên tính chất thành phần có thể chia rác thải sinh hoạt thành 3 nhóm sau:
·Nhóm 1: Chất thải thực phẩm
Đó là các loại thức ăn dư thừa, hoa quả, rau xanh .
Chất thải thực phẩm là những hợp chất hữu cơ, mang bản chất sinh học. V́ vậy, chúng rất dễ bị phân huỷ bằng con đường sinh học. Quá tŕnh phân huỷ của chúng tạo nên các mùi khó chịu của CO[SUB]2[/SUB], NH[SUB]3[/SUB], H[SUB]2[/SUB]S đặc biệt trong thời tiết Èm.
·Nhóm 2: Chất thải từ hoạt động công nghiệp, xây dựng
Gồm các loại phế thải: đất đá, gạch ngói, bê tông, các vật liệu bằng kim loại, thuỷ tinh, chất dẻo. Đây là nhóm chất thải khó phân huỷ, bền vững theo thời gian.
Trong đó, vật liệu bằng kim loại, thủy tinh, các loại chất dẻo có thể tái sử dụng thành vật liệu composit và một số dạng đặc biệt khác. ·Nhóm 3: Chất thải từ nông nghiệp
Là những chất thải và mẩu thừa từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp (trồng trọt, thu hoạch) các loại cây trồng, các phế thải từ quá tŕnh chế biến sữa, của ḷ giết mổ .
Nhóm này được tập kết cùng với nhóm 1 để xử lư bằng phương pháp phân huỷ sinh học.
1.2. Vi sinh vật và vai tṛ của vi sinh vật trong các chu tŕnh biến đổi chất
1.2.1. Vi sinh vật

Vi sinh vật (Microbe, Microorganism) là các sinh vật rất nhỏ bé không thấy bằng mắt thường. Chúng gồm: vi rót, vi khuẩn, vi nấm, một số động vật nguyên sinh và tảo.
Trong tự nhiên, vi sinh vật đóng vai tṛ quan trọng trong quá tŕnh chuyển hoá các chất, chúng có khả năng rất lớn trong quá tŕnh phân giải các hợp chất hữu cơ. Chúng tham gia vào việc phân giải và biến các chất có hại thành các chất vô hại. Tuy nhiên khả năng hoạt động của chúng c̣n tuỳ thuộc vào yếu tố môi trường: nồng độ của các hợp chất hữu cơ, các kim loại nặng có tính độc, các loại hoá chất độc hại khác, độ pH, điều kiện nhiệt độ, nồng độ oxy hoà tan .
1.2.2. Vai tṛ của vi sinh vật trong ṿng tuần hoàn chuyển hoá nguyên tố cacbon
Cacbon là nguyên tố rất phổ biến trong tự nhiên. Nó tham gia vào việc cấu thành những hợp chất có vai tṛ quan trọng đặc trưng cho sự sống của con người và động vật. Các hợp chất của cacbon quan trọng tới mức người ta gọi hệ thống sống là “hệ thống nền cacbon”.
Các hợp chất cacbon hữu cơ có mặt trong động - thực vật, vi sinh vật. Khi các sinh vật này chết đi để lại một lượng chất hữu cơ khổng lồ trên trái đất. Nhờ hoạt động của các nhóm vi sinh vật dị dưỡng cacbon, các hợp chất hữu cơ này dần bị phân huỷ đến sản phẩm cuối cùng là CO[SUB]2[/SUB], H[SUB]2[/SUB]O. Thực vật và một số vi sinh vật tự dưỡng quang năng sử dụng CO[SUB]2[/SUB], H[SUB]2[/SUB]O trong quá tŕnh quang hợp tổng hợp nên các hợp chất cacbon hữu cơ của thực vật. Động vật và con người sử dụng cacbon hữu cơ từ thực vật và động vật để tổng hợp nên những hợp chất cacbon hữu cơ đặc trưng cho ḿnh thông qua con đường đồng hoá và dị hoá. Quá tŕnh hô hấp của con người, động vật thải ra CO[SUB]2[/SUB]. Sau khi chết xác động vật và người bị phân huỷ dưới tác dụng của vi sinh vật


[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]

[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD=colspan: 3, align: left][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[TD=align: left][/TD]
[/TR]
[/TABLE]






H́nh 1: Vi sinh vật trong chu tŕnh chuyển hoá cacbon
1.2.2.1. Sự phân giải các hợp chất Gluxit
Các hợp chất Gluxit là thành phần chủ yếu của các chất khô trong thực vật (rau quả, cây cối ). Đồng thời, nó c̣n là nguồn năng lượng cho các quá tŕnh sống của thực vật. Khi thực vật (cây cối, rau quả ) chết đi để lại một lượng lớn các hợp chất Gluxit. Quá tŕnh chuyển hoá các hợp chất Gluxit như sau:
I.2.2.1.1. Sự phân giải các hợp chất đường
Xenlulo và tinh bột bị phân giải tạo thành đường đơn. Đường đơn tiếp tục bị phân giải dưới tác dụng của vi sinh vật theo con đường lên men (etylic, lactic, butyric, focmic).
Nhiều loài vi khuẩn kị khí và hiếu khí tuỳ tiện tham gia vào quá tŕnh lên men. Saccharomyces cerevisae - một loại nấm men-là tác nhân lên men mạnh nhất, được sử dụng trong quá tŕnh lên men rượu, bia.
Phản ứng :
S.cerevisae

C[SUB]6[/SUB]H[SUB]12[/SUB]O[SUB]6[/SUB] 2C[SUB]2[/SUB]H[SUB]5[/SUB]OH+2CO[SUB]2[/SUB]
Quá tŕnh lên men lactic dưới tác dụng của vi khuẩn họ Lactobacteriaccae và Streptococcus lactics .
Phản ứng :
Lactobacteriaccae

C[SUB]6[/SUB]H[SUB]12[/SUB]O[SUB]6[/SUB] 2CH[SUB]3[/SUB]CHOCOOH

Quá tŕnh lên men Butyric thực hiện bởi chi vi khuẩn Clostridium .
Ngoài ra, trong quá tŕnh trao đổi chất nhóm vi sinh vật dị dưỡng hiếu khí tham gia vào quá tŕnh phân giải đường Glucoza thành CO[SUB]2[/SUB], H[SUB]2[/SUB]O.
1.2.2.1.2. Sự phân giải tinh bét
Tinh bét (C[SUB]6[/SUB]H[SUB]10[/SUB]O[SUB]5[/SUB])[SUB]n[/SUB] là những hợp chất hydratcacbon cao phân tử. Tinh bột chiếm tỷ lệ lớn trong thực vật, dưới dạng hạt tinh bét.
Nhiều vi sinh vật tiết ra hệ enzym amylaza (- amylaza, -amylaza, -amylaza) phân huỷ tinh bột thành những hợp chất đơn giản: đường và các axit hữu cơ.
Bảng 1: Một số vi sinh vật có khả năng phân giải tinh bét:
[TABLE]
[TR]
[TD]Nấm[/TD]
[TD]Vi khuẩn[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Aspergillus awarmorii
A.candidus
A.niger
Candida japonica[/TD]
[TD]Bacillus amyloliquefaciens
B.subtilis
B.coagulans
Clotridium amyloliticum[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
1.2.2.1.3. Sự phân giải Xenlulo
Xenlulo là thành phần của màng tế bào thực vật. Xenlulo có trong rau quả (vỏ hạt, vỏ tế bào, vỏ quả ). Thực vật khi chết để lại một lượng lớn xenlulo ở trong thân cây, cành lá rụng xuống Hàm lượng xenlulo trong xác thực vật thường thay đổi trong khoảng 50-80%. Một phần khác do con người tạo ra ở dạng chất thải: rác, rơm rạ, giấy vụn, mùn cưa, vỏ bào,
Có thể tính toán rằng tổng lượng xenlulo trên trái đất vào khoảng 3500 tỉ tấn. Nếu nh­ không có quá tŕnh phân giải xenlulo th́ lượng chất này sẽ ngập tràn trên trái đất.
Trong tự nhiên có nhiều loài vi sinh vật - mang hệ enzym xenluloza ngoại bào - có khả năng phân hủy xenlulo.Việc vi sinh vật phân huỷ xenlulo có ư nghĩa rất lớn trong ṿng tuần hoàn địa hoá, góp phần nâng cao độ ph́ nhiêu cho đất cũng như vào việc tiêu hoá thức ăn ở các loài động vật nhai lại.
Hệ vi sinh vật phân giải xenlulo khá phong phó bao gồm : nấm, xạ khuẩn, vi khuẩn. Chúng bao gồm cả những hệ vi sinh hiếu khí và yếm khí. Do đó, quá tŕnh phân huỷ xenlulo diễn ra theo hai con đường hiếu khí và yếm khí.
· Phân giải xenlulo trong điều kiện hiếu khí.
Một sè vi sinh vật tham gia phân huỷ Xenlulo trong điều kiện hiếu khí:

[TABLE]
[TR]
[TD]Nấm[/TD]
[TD]Xạ khuẩn[/TD]
[TD]Vi khuẩn[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Alternaria
Aspergillus ustus
A.candidus
Botritis
Chaetomiumglobosum
C.thermophil
Fusariumoxysporum
[/TD]
[TD]Actinomyces
Micromonospora
Streptomyces
Str.cellulosae
Str.celluloflavus
[/TD]
[TD]Acetobacter xylinum
Achromobacter
Pseudomonasflourescens[/TD]
[/TR]
[/TABLE]

Trong điều kiện hiếu khí các vi sinh vật này thực hiện phân huỷ xenlulo rất mạnh. Đặc biệt xạ khuẩn thuộc chiStreptomyces có khả năng phân giải xenlulo được ứng dụng trong quá tŕnh phân huỷ rác thải sinh hoạt. Những xạ khuẩn này thuộc nhóm ưa nóng, sinh trưởng, phát triển tốt nhất ở nhiệt độ 45- 50 °C, rất thích hợp với quá tŕnh ủ rác .
Hai enzym chính tham gia phân huỷ xenlulo là xenlulaza C[SUB]1[/SUB] và xenlulaza C[SUB]x[/SUB]. Enym xenlulaza C[SUB]1 [/SUB]tác động sơ bộ vào các phân tử xenlulo thiên nhiên và biến chúng thành những chuỗi xenlulo mạch thẳng. Sau đó, dưới tác dụng của enzym xenlulaza C[SUB]x[/SUB], xenlulo bị phân huỷ thành xenlobiose (gồm 2 phân tử gluco). Loại đường này có thể tan trong nước, dưới tác dụng của b- glucosidase biến thành gluco.
· Phân giải xenlulo trong điều kiện yếm khí .
Ngoài các vi sinh vật hiếu khí c̣n một số vi sinh vật yếm khí cũng tham gia tích cực vào quá tŕnh phân huỷ xenlulo.Clotridium thermocellum, Clotridium omelianskii tham gia phân huỷ xenlulo bằng con đường “ lên men xenlulo”.
C.thermocellum là loài vi khuẩn có hoạt tính phân giải xenlulo đầu tiên được nghiên cứu và được phân lập từ phân ngựa. Đặc điểm của C.thermocellum : lúc c̣n non có h́nh que ngắn, khi trưởng thành có h́nh uốn cong, kích thước dài, bào tử sinh ra ở một đầu. Chúng phát triển tốt trong môi trường có nguồn xenlulo hoặc xenlubiose, nguồn NH[SUB]4[/SUB][SUP]+[/SUP], nhiệt độ thích hợp 60-65°C. Sản phẩm của quá tŕnh lên men là : Etanol, axit axetic, axit focmic, H[SUB]2[/SUB], CO[SUB]2[/SUB].
Đặc biệt, c̣n một nhóm vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo rất mạnh trong điều kiện yếm khí là nhóm các vi sinh vật sống trong dạ cỏ của trâu, ḅ và các động vật nhai lại. Trong những nghiên cứu cho thấy: trong 1ml các chất lấy từ dạ cỏ của ḅ có khoảng 10[SUP]9[/SUP]-10[SUP]10[/SUP] tế bào vi khuẩn. Hệ vi khuẩn và động vật nguyên sinh ở dạ cỏ động vật nhai lại gồm rất nhiều loài có khả năng phân giải xenlulo :
Bảng 3: Hệ vi khuẩn và động vật nguyên sinh trong dạ cỏ của động vật nhai lại.