GD HN: ST công nghệ sinh học môi trường

CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI
TRƯỜNG
TS. Lê Phi Nga
TS. Jean-Paul Schwitzguebéls
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
n Bài giảng được sử dụng cho giáo viên lên lớp
n Đối tượng làcác học viên cao học chuyên ngành Công
nghệ môi trường, Viện Môi trường vàTài nguyên, ĐHQG
Tp HCM
n Mục tiêu: Học viên cần nắm vững các khái niệm, nguyên
lý của các công nghệ sinh học đã được ứng dụng, các
điều kiện ảnh hưởng vàyếu tố thành công
n Làmôn học tự chọn, yêu cầu học viên đã cónhững kiến
thức cơ bản về:
-Sinh vật học
-Vi sinh vật môi trường
-Sinh thái môi trường
-Công nghệ môi trường
ĐỐI TƯỢNG GIẢNG, MỤC TIÊU, YÊU CẦU
CƠNG NGHỆ SINH HỌC MƠI TRƯỜNG
Không Khí
O
2
, N
2
, CO
2
H
2
O
Mặt trời

(Năng lượng)
Thực vật
Đất + Nước
(Dinh dưỡng)
Động vật ăn cỏ
Động vật ăn thòt
(sinh vật tiêu thụ)
Các loài vi sinh,
động vật không
xương sống
(sinh vật phân hủy)
CÔNG NGHỆ
SINH HỌC MÔI
TRƯỜNG
Tham gia bảo vệ vàcải tạo mơi
trường, giữ cân bằng sinh thái
VỊ TRÍCỦA CNSH-MT TRONG SINH THÁI
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Không khí
Nước
Đất
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Chất thải
asia.cnet.com/ /chil
dren_bronze2_sc.jpg
VAI TRÒ CỦA CNSH MT
CNSH Môi trường tham gia vào các quátrình xử lý
nước cấp, nước thải, bùn thải
,

nước mặt bị ô nhiễm,
đất ô nhiễm, khíô nhiễm vàcòn cóthể dùng như
công cụ để điầu tra đánh giáô nhiễm
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
n “Công nghệ”
cóthểứng dụng rộng rãi
n “Sinh học”:
sử dụng cơ thể sinh học, một
quátrình sinh học hay một phản ứng sinh
học
n “Môi trường”:
giải quyết những vấn đề của
môi trường như điều tra ô nhiễm, cải tạo ô
nhiễm, xử lý chất thải
KHÁI NIỆM
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
-Nucleic acid (DNA, RNA)
-Protein / enzyme
-Lipids
-Polysaccharides
CÔNG CỤ SINH HỌC ĐƯỢC SỬ DỤNG
n Vi sinh vật: trong nước, đất
n Thực vật: cạn, bán ngập, ngập nước
n Động vật không xương sống trong
bùn và đất
n Cao phân tử sinh học
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
“ Công nghệ sinh học môi trường làsựkết hợp về mặt nguyên
lý của nhiều ngành khoa học vàkỹthuật để sử dụng những khả
năng sinh hóa to lớn của các vi sinh vật, thực vật hay một phần

cơ thể của những sinh vật này để phục hồi, bảo vệ môi trường
vàsửdụng bền vững nguồn tài nguyên”
EPFL/LEB (Lab for Environmental Biotechnology)
ĐỊNH NGHĨA
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Ô nhiễm không khí
Các chất ô nhiễm thường
gặp
• NOx, COx, SOx, C2F4
• Hydrocarbons
• Chất hữu cơ dễ bay hơi
(VOCs) BTEXs, axit…
• Kim loại nặng (Pb )
• POPs (dioxins/furans, PCBs)
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Ô nhiễm đất và nước
Các chất ô nhiễm:
• Hydrocarbons (BTEX, PAHs)
• Hợp chất cơ Clo (PCE, TCE,
PCBs)
• Hợp chất vòng thơm chứa nitơ
(TNT)
• Hợp chất hữu cơ(MTBE)
• Vô cơ (NO
3
, NH
4
)
• Kim loại nặng (Cd, Cr, Pl, Zn,
Cu)

CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
• 14 tiết: Xử lý ô nhiễm bằng phương pháp vi sinh (Bioremediation)
v Khái niệm vàNguyên lý
v Kỹ thuật xử lý ô nhiễm môi trường nước
v Kỹ thuật xử lý ô nhiễm môi trường đất
• 10 tiết: Xử lý ô nhiễm bằng thực vật (Phytoremediation)
v Đất và nước ô nhiễm kim loại nặng: nguyên lý, kỹ thuật xử lý
v Đất và nước ô nhiễm chất hữu cơ: nguyên lý, kỹ thuật xử lý
• 6 tiết: Xử lý chất thải đi kèm tạo sản phẩm (Bioconversion)
v Nguyên lý xử lý hiếu khívàkịkhí
v Công nghệ sinh metan từ nước thải vàchất thải rắn Công nghệ
sinh hydro
v Công nghệ tạo etanol từ chất thải chứa carbonhydrat,
cenllulose
CHƯƠNG TRÌNH GIẢNG (30 TIẾT)
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
• 5 tiết: Xử lý chất thải đi kèm tạo sản
phẩm (Bioconversion)
v Nguyên lý xử lý hiếu khívàkịkhí
v Công nghệ sinh metan từ nước thải và
chất thải rắn Công nghệ sinh hydro
v Công nghệ tạo etanol từ chất thải
chứa carbonhydrat, cenllulose
CHƯƠNG TRÌNH GIẢNG (30TIẾT)-
(tiếp theo)
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Xử lý ô nhiễm bằng
phương pháp vi sinh
(BIOREMEDIATION)
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG

Nguyên lý
XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI
SINH (BIOREMEDIATION)
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
chất cho
điện tử
(nguồn năng
lượng)
e
-
e
-
chất nhận
điện tử
(oxy, nitrate,
sulfate, carbonic)
năng lượng
sinh tổng hợp
carbon
N, P,
S, Fe,
Vi lượng
tế bào vi khuẩn
Sinh trưởng của vi sinh vật yêu cầu dinh dưỡng (C,N, P, S) vi lượng và
hô hấp trong đóbao gồm nguồn cho vàchất nhận điện tử
XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI
SINH: Sinh lý của vi khuẩn
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Chất ô nhiễm
làchất cho

điện tử
(nguồn năng
lượng)
e
-
e
-
năng lượng
sinh tổng hợp
tế bào vi khuẩn
N, P,
S, Fe,
Vi lượng
chất nhận điện
tử (oxy, nitrate,
sulfate,carbonic)
carbon
Chất ô nhiễm làchất cho điện tử
XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI
SINH: Cơ chế “đồng hóa”chất ô nhiễm
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
e
-
e
-
năng lượng
sinh tổng hợp
Chất ô nhiễm
= nguồn
carbon

N, P,
S, Fe,
Vi lượng
chất cho
điện tử
(nguồn năng
lượng)
chất nhận điện
tử (oxy, nitrate,
sulfate,carbonic)
tế bào vi khuẩn
Chất ô nhiễm lànguồn carbon
XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI
SINH: Cơ chế “đồng hóa”chất ô nhiễm
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
e
-
e
-
năng lượng
sinh tổng hợp
N, P,
S, Fe,
Vi lượng
chất cho
điện tử
(nguồn năng
lượng)
tế bào vi khuẩn
Chất ô nhiễm làchất nhận điện tử

Chất ô nhiễm =
chất nhận điện
tử (nitrate,
Sulfate,carbonic)
carbon
XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI
SINH: Biến đổi chất ô nhiễm theo cơ chế sinh lý
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
chất cho
electron
(nguồn
năng
lượng)
e
- e
-
chất nhận
electron
(khíoxygen,
nitrate,
sulfate,
khícarbonic)
năng lượng
sinh tổng hợp
carbon
N, P,
S, Fe,
etc.
Chất ô nhiễm
bị biến đổi

Chất ô nhiễm
Chất ô nhiễm không tham gia vào quátrình
trao đổi chất nhưng bị biến đổi bên trong tế
bào vi khuẩn
XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI
SINH: Biến đổi chất ô nhiễm theo cơ chế trực tiếp
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
chất cho
electron
(nguồn
năng
lượng)
e
-
e
-
chất nhận
electron
(khíoxygen,
nitrate,
sulfate,
khícarbonic)
năng lượng
sinh tổng hợp
carbon
N, P,
S, Fe,
etc.
Chất ô nhiễm
bị biến đổi

Chất ô nhiễm
Sự biến đổi chất ô nhiễm xảy ra hoàn
toàn bên ngoài tế bào vi khuẩn
XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI
SINH: Biến đổi chất ô nhiễm theo cơ chế gián tiếp
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
CHẤT Ô NHIỄM LÀNGUỒN CACBON
Đánhiễm
dầu
Đá đã sạch dầu
Cơ chế đồng hoá
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
CHẤT Ô NHIỄM LÀCHẤT NHẬN ĐIỆN TỬ
Quátrình khử nitrát kị khí:
NO
3
-
+ 2e
-
+ 2H
+
NO
2
-
+ H
2
O N
2
VD: Paracoccus species, Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas aeruginosa,
and Rhodobacter sphaeroides …

Quátrình khử sulphat kị khí:
Acetat+ 3H
+
SO
4
2-
2H
2
O+ H
2
S + 2CO
2
VD: Desulfovibrionaceae , Desulfobacteriaceae, Desulfobulbusaceae …
Cơ chế sinh lý
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Cl
Cl
HCl
oxygenase
TCE
Cl
Cl
H
Cl
O
TCE epoxide
Tế bào vi sinh vật
CO
HCOOH
Cl

2
HC-COOH
OHC-COOH
Môi trường
Oxít carbon
Formic axít
dichloroacetate
glyoxylate
(toluene, phenol, methane,
ammonia, isoprene, propane…)
CHẤT Ô NHIỄM BỊ BIẾN ĐỔI TRỰC TIẾP
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Năng lượng giải phóng (kJ/mol electron vận chuyển)
0 0,5 (volts)-0,5
Khử
CT ® CF
O
2
® H
2
O
PCE ® TCE
NO
3
® NO
2
DCB ® MCB
DCE ® VC
SO
4

® H
2
S
CO
2
® CH
4
Ferredoxin ® ox
NADH ® NAD
Oxi hoá
0
+50
-50
ÔXY HOÁKHỬ LÀPHẢN ỨNG CƠ SỞ
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
VAI TRÒ CỦA ÔXY VÀCHẤT THAY THẾ ÔXY
Vai trò của ôxy trong phân hủy Hiếu khí :
1.Chất nhận điện tử cuối của quátrình hô hấp
2.oxy hóa chất ô nhiễm trực tiếp
Vai trò của chất thay thế ôxy trong phân hủy Kị khí :
1. Chất nhận điện tử cuối của quátrình hô hấp là:
Ion/ hợp chất (NO
3
, SO
4
, Fe(III), Mn(IV), CO
2
,
2. Tham gia biến dạng chất ô nhiễm (khử)