Đăc điểm tính chất và ứng dụng của vi khuẩn khử sulphate

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM
VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG

ĐỒ ÁN CƠ SỞ NGÀNH

ĐẶC ĐIỂM TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA VI KHUẨN
KHỬ SULPHATE

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Khánh Hoàng
Lớp: DHKTMT10A
Sinh viên thực hiện:

TP. Hồ Chí Minh, 2016


LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................


..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
LỜI CẢM ƠN
Nhóm chúng tôi xin chân thành cảm ơn đến:
Ban giám hiệu Trường ĐH Công Nghiệp TP.HCM nói chung và Viện Khoa Học
Công Nghệ và Quản Lí Môi Trường nói riêng đã tạo điều kiện cho nhóm chúng tôi
làm nên bài đồ án báo cáo cơ sở này. GVHD thầy Nguyễn Khánh Hoàng đã tận tình
dạy dỗ, giúp đỡ, hướng dẫn chúng tôi tìm hiểu rõ bộ môn Đồ Án Cơ Sở Ngành. Thư
viện Trường ĐH Công Nghiệp đã tạo điều kiên tốt nhất cho chúng tôi tra cứu tài liệu
liên quan. Phòng đa phương tiện ĐH Công Nghiệp Tp.HCM với hệ thống máy tính
hoạt động liên tục đã tạo điều kiện cho chúng tôi tìm kiếm thông tin nhanh chóng.
Đồng cảm ơn sự góp ý của tất cả các bạn cung lớp đã tận tình góp ý, tham gia ý kiến
để nhóm chúng tôi hoàn thành tốt bài tiểu luận.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!


PHỤ LỤC
Chương 1: Tổng quan.................................................................................................................1
1.2 Nhiệm vụ đồ án.................................................................................................................4

1.3 Cấu trúc đề tài...................................................................................................................5
Chương 2: NỘI DUNG...............................................................................................................6
2.1.1 Đặc điểm hình thái.....................................................................................................6
2.2.1 Quá trình trao đổi chất và năng lượng......................................................................12
3.2.2 Xử lý rác thải giấy....................................................................................................19
3.2.3 Sản xuất chế phẩm vi sinh........................................................................................20
3.2.4 Ứng dụng của vi khuẩn khử sulphate trong xử lý ô nhiễm dầu khí.........................20
Chương 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................25
Tài liệu tham khảo.....................................................................................................................27


DANH SÁCH BẢNG BIỂU

• Bảng 2.1. Các cơ chất mà vi khuẩn khử sunphat
sử dụng trong sinh trưởng
• Bảng 2.2. Đặc điểm một số vi khuẩn chính có trong các mỏ quặng
DANH SÁCH HÌNH VẼ
•
•
•
•
•

Hình 2.1. Vị trí của SRB trong chu trình cacbon và lưu huỳnh.
Hình 2.2. Các bước khử sulfate ở SRB và các enzyme tham gia
Hình 2.3. hình ảnh vi khuẩn aceterbaxtor.
Hình 2.4. Hình ảnh vi khuẩn desulfovibrio sp.
Hình 2.5. Sơ đồ mô hình thí nghiệm nghiên cứu tuần hoàn nước rỉ bãi chôn rác

• Hình 2.6 : Cơ chế phân giải ankan

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
• SRB (Sulfate reducing bacteria) : Vi khuẩn khử sunphat


Chương 1: Tổng quan
1.1.

Tổng quan về vấn đề được nghiên cứu

Vi khuẩn khử sunfate là nhóm vi khuẩn rất đa dang có khả năng sử dụng sunfate
làm chất nhận điện tử cuối cùng. Chúng là những vi khuẩn kị khí bắt buộc phân bố khá
rộng trên Trái đất. Chúng có trong đất, trong các vùng trầm tích, bùn lắng ở các đáy ao
tù, cống rảnh, sông hồ, biển trong các vùng có điều kiện sống khắc nghiệt như: áp suất
cao, nhiệt độ cao, độ mặn cao, hai môi trường quá kiềm, quá axit và đặc biệt tồn tại
với một số lượng lớn trong các dầu mỏ. Sự đa dạng cao của vi khuẩn khử sunfate được
tìm thấy ở các trầm tích biển, nơi có nồng độ sunfate cao.
Trong những công trình nghiên cứu đầu tiên về vi khuẩn khử sunfat người ta đã
nghĩ rằng vi khuẩn này là vi khuẩn kị khí tuyệt đối. Tuy nhiên khoảng 20 năm trở lại
đây quan điểm này đã thay đổi. Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng vi khuẩn khử sunfat
có khả năng chống chọi được với oxy. Theo báo cáo của Cypionka (2000), vi khuẩn
khử sunfat không chỉ sống được trong môi trường có oxy nhiều giờ mà thậm chí nhiều
ngày và nhiều loài thậm chí có thể khử được oxy thanh nước. Qúa trình này có thể
thực sự là quá trình hô hấp khi kết hợp với quá trình chuyển hóa năng lượng. Người ta
đã phát hiện thấy một số lượng lớn vi khuẩn khử sunfat trong các vùng hiếu khí và
vùng ranh giới giữa hiếu khí và kị khí của các trầm tích.

Hầu hết các loài vi khuẩn

khử sunfatphân lập được từ những vị trí hiếu khí đều thuộc hai chi Desulfovibrio và
Desulfomicrobium. Theo Cord- Ruwisch và cộng sự, khả năng sống trong môi trường

có oxy của vi khuẩn khử sunfat có thể được giải thích như sau: Trước hết hô hấp của
các vi khuẩn hiếu khí sẽ tiêu thụ oxy để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi
chất của vi khuẩn khử sunfat. Đồng thời,

S do vi khuẩn khử sunfat tạo ra là một chất

khử, nó sẽ tác dụng với oxy ở điều kiện thường làm giảm nồng độ oxy ở khu vực đó.
Mặc dù có thể thích nghi với môi trường, chúng có thể chống chọi với oxy. Tuy nhiên,
do vi khuẩn này thường sủ dụng các sản phẩm lên men được tạo thành trong điều kiện
kị khí nên chúng không thể có những thuận lợi trong quá trình cạnh tranh với vi sinh

1


vật khác phát triển trong môi trường hiếu khí. Do vậy, vi khuẩn khử sunfat vẫn là vi
khuẩn kị khí.
Trong môi trường hiếu khí, vi sinh vật dị dưỡng có thể thực hiện quá trình chuyển
hóa hoàn toàn hợp chất hữu cơ thành

. Tuy nhiên trong hệ sinh thái kị khí thì sự

chuyển hóa lại phức tạp hơn và đòi hỏi sự tương tác của một lượng lớn các nhóm vi
khuẩn khác nhau. Mỗi nhóm vi khuẩn thực hiện một quá trình oxy hóa một phần hợp
chất hữu cơ và sản phẩm chuyển hóa cuối cùng của chúng lại được đồng hóa bởi các
thành tiếp theo của chuỗi thức ăn cho đến khi kết thúc quá trình oxy hóa. Vi khuẩn
khử sunfat trong điều kiên kị khí thường được nghiên cứu đặt trong mối quan hệ với
hai nhóm vi khuẩn kị khí khác nhau là vi khuẩn metan và vi khuẩn khử nitrat. Các
công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam đã cho thấy có mối quan hệ hội
sinh của vi khuẩn khử sunfat và vi khuẩn sinh metan, nhất là trong điều kiện nước biển
và nước và dầu mỏ. Rõ ràng là vi khuẩn khử sunfat sống hội sinh với vi khuẩn sinh

metan, khử không hoàn toàn các hợp chất hữu cơ có sẵn trong môi trường thành axetat
và chính nguồn axetat này lại là cơ chất cho các vi khuẩn sinh metan và các vi khuẩn
sử dủng axetat sinh trưởng phát triển. Còn mối quan hệ của vi khuẩn khử sunfat và vi
khuẩn khử nitrat đang dược các nhà nghiên cứu rất quan tâm vì có tính ứng dụng cao
của nó.
Lysnes gần đây đã phát hiện ra chủng khử nitrat ưa nhiệt phân lập từ giếng dầu
vùng biển Bắc sử dụng cơ chất axit béo lại có khả năng sing trưởng trên những nguồn
cơ chất ưa thích của vi khuẩn khử sunfat. Điều này tạo cơ sở mở ra hướng ứng dụng
mới: sử dụng nhóm vi khuẩn khử nitrat cho việc ức chế sự phát triển của vi khuẩn khử
sunfat trong các giếng khoan bằng phương pháp sinh học thay cho hóa học như hiện
nay.
•

Vấn đề gây ra bởi vi khuẩn khử sulfate:

Trong kỹ thuật, vi khuẩn khử sulfate có thể tạo ra các vấn đề khi cấu kiện kim loại tiếp
xúc với nước muối chứa sulfate : Tương tác của nước và kim loại tạo ra một lớp phân
tử hydro trên bề mặt kim loại; vi khuẩn khử sunfat sau đó khử hydro tạo ra hydrogen
sulfide, góp phần vào sự ăn mòn .

2


Hydrogen sulfide từ vi khuẩn khử sunfat cũng đóng một vai trò trong sự ăn mòn
sulfide hữu cơ của bê tông. Nó cũng xảy ra trong dầu thô chua.
Một số vi khuẩn khử sunfat đóng một vai trò trong quá trình oxy hóa kỵ khí metan.
CH 4 + SO 4 2- → HCO3- + HS - + H 2 O
Một phần quan trọng của metan hình thành bởi methanogen dưới đáy biển bị oxy
hóa bởi các vi khuẩn khử sunfat ở vùng chuyển tiếp tách methanogenesis từ các hoạt
động giảm sulfate trong trầm tích. Quá trình này cũng được coi là một bồn rửa chén

lớn cho sulfate trong trầm tích biển.
Trong thủy lực cắt phá chất lỏng được sử dụng để frack đá phiến hình để thu hồi
khí metan (khí đá phiến) và các hydrocacbon, chất diệt khuẩn các hợp chất thường
được thêm vào nước để ức chế hoạt động của vi khuẩn khử sunfat, để tránh quá trình
oxy hóa metan kỵ khí và thế hệ của hydrogen sulfide. Cuối cùng kết quả là giảm thiểu
tổn thất tiềm năng sản xuất.
•

Tầm quan trọng và đánh dấu

Sunfat xảy ra rộng rãi trong nước biển, trầm tích, hoặc nước giàu đang phân hủy
chất hữu cơ. Vi khuẩn khử sunfat khá phổ biến ở môi trường kị khí là vi khuẩn hỗ trợ
trong việc phân hủy các chất hữu cơ.
Trong những môi trường yếm khí, vi khuẩn lên men lấy năng lượng từ các phân
tử hữu cơ lớn; kết quả các hợp chất nhỏ hơn như axit hữu cơ và rượu được tiếp tục bị
oxy hóa bởi acetogens và methanogen và cạnh tranh vi khuẩn khử sunfat.
Bùn thải từ ao; màu đen là do các sunfua kim loại, đó là kết quả của trình phân
hủy các kim loại của vi khuẩn khử sunfat.
Các độc hydrogen sulfide là một sản phẩm chất thải của vi khuẩn khử sunfat; mùi
trứng thối của nó cho ta thấy đó là một dấu hiệu cho sự hiện diện của vi khuẩn khử
sunfat trong tự nhiên.

3


1.2 Nhiệm vụ đồ án
•

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay vi khuẩn khử sulfate đã và đang được ứng dụng nhiều trong vấn đề xử
lí rác thải, nước thải,.... và trong tương lai.
•

Lí do hình thành đề tài

Do đề tài do nhóm chúng em thấy đây là một đề tài được ứng dụng nhiều trong
cuộc sống và xử lí môi trường
•

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là vi khuẩn khử sulfate, phạm vi nghiên cứu là
nghiên cứu về đặc điểm tính chất và ứng dụng của vi khuẩn khử sulfate trong thực tiễn
và tương lai.
•

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu thông qua tài liệu sách báo, các báo cáo
khoa học các đề tài dự án đã và đang triển khai, các thí nghiệm và kết quả nghiên cứu
của các nhà khoa học trong nước và trên thế giới.
•

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Khi khoa học phát triển chúng ta biết rõ hơn về vai trò của vi khuẩn khử sulfate,
thì việc ứng dụng trong đời sống hằng ngày và trong đời sống sản xuất cũng như trong
công nghiệp và hướng đến tương lai.
•

Giới hạn đề tài

Về mặt nội dung đề tài chủ yếu làm rõ đặc điểm, tính chất và ứng dụng của vi
khuẩn khử sulfate trên cơ sở lí thuyết, các chứng minh khoa học và các báo cáo thí
nghiệm liên quan tới đề tài.

4


1.3 Cấu trúc đề tài
Chương 1: TỔNG QUAN
1. Tổng quan về vấn đề được nghiên cứu
2. Nhiệm vụ đồ án
3. Cấu trúc đề tài
Chương 2: Nội dung
1. Đặc điểm
1.1.
1.2.
2. Tính chất
2.1.
2.2.
2.3.
3. Ứng dụng
3.1.

Đặc điểm hình thái
Đặc diểm sinh lý sinh hóa
Qúa trình trao đổi chất và năng lượng
Vấn đề về mùi

Ăn mòn đường ống
Bổ sung sulfate để tang cường sự phân huy rác tại các bãi
chôn lấp

3.2.

Xử lí rác thải

3.3.

Sản xuất chế phẩm vi sinh

3.4.

Ứng dụng của vi khuẩn khử sulphate trong xử lý ô nhiễm
dầu khí

3.5.

Ứng dụng trong oxy hóa các khoáng vật sulfur

Chương 3: Tổng kết

5


Chương 2: NỘI DUNG
2.1Đặc điểm
2.1.1 Đặc điểm hình thái
Vi khuẩn khử sunfat là nhóm vi khuẩn có sinh lý phức tạp nhưng có đặc điểm

nổi bật là chúng sử dụng sunfat

làm chất nhận điện tử cuối cùng. Các loại vi

khuẩn khử sunfat khác nhau thể hiện ở hình thái tế bào, khả năng di động, khả năng
hình thành bào tử, hàm lượng GC chứa trong ADN, desulfovibrin, hệ thống
cytochrome, nhiệt độ tối ưu cho sinh trưởng và khả năng trao đổi chất (oxy hoàn toàn
hay không hoàn toàn cơ chất) .
Nhóm vi khuẩn khử sunfat có hình dạng tế bào rất đa dạng tùy theo từng chi
( với kích thước tế bào khoảng 0.3 – 1.5

m x 0.8 – 10 m ): Hình que như

Desulfobulbus, Desulfotomaculum, Thermodesulfobacterium, Thermodesulfohabdus,
Thermodesulfatator; hình dấu phẩy như Desulfovibiro, Thermodesulfovibrio; hình
ovan như Desulfobacter, Desulfobacterium; hình cầu như Desulfococcus; hình túi
Desulfosarcina; hình sợi như Desulfonema.
Trong tự nhiên, vi khuẩn khử sunfat bơi tự nhiên hoặc bám vào giá thể nào đó,
nhất là các mẫu sắt, ống sắt. Tùy loại mà chúng có thể đứng đơn độc hay kết đôi, hoặc
xếp chuỗi ngắn, cũng có khi chúng tập hợp lịa thành một đám lộn xộn .
Một số loài vi khuẩn khử sunfat chuyển động nhờ tiêm mao hoặc một chùm
tiêm mao, trong khi một số khác chi di động trong giai đoạn đầu của quá trình phát
triển sau đó khả năng giảm dần và mất hẳn. Một số khác lại không có khả năng di
chuyển.
Cho đến thời điểm này, đã có rất nhiều loại vi khuẩn khử sunfat được phát hiện
và phân loại. Với sự phát triển của kỹ thuật phân tích trình tự gen 16S rARN kết hợp
với các đặc điểm sinh lý trên đã xây dựng được cây phát sinh loài của vi khuẩn này.
Cây phát sinh loài cho thấy sự đa dạng rất cao số lượng loài của nhóm vi khuẩn khử
sunfat.
6

Dựa trên trình tự phân tích rARN, vi khuẩn khử sunfat được chia thành bốn
nhóm chính: vi khuẩn khử sunfat Gram âm ưa ấm; vi khuẩn khử sunfat Gram dương
sinh bào tử; vi khuẩn khử sunfat ưa nhiệt và vi khuẩn khử sunfat cổ ưa nhiệt.2.1.1 Đặc
điểm sinh lý, sinh hóa
Các vi khuẩn khử sunfat đã được coi là một nhóm kiểu hình, cùng với các vi
khuẩn khử lưu huỳnh khác, cho mục đích nhận dạng. Chúng được tìm thấy trong một
vài dòng phát sinh loài khác nhau. Tính đến năm 2009, 60 chi có chứa 220 loài vi
khuẩn khử sunfat đã được biết đến.
Nhóm vi khuẩn khử sunfat Gram âm ưa ấm gồm hai họ lớn là
Desulfovibrioaceae (gồm hai chi Desulfovibrio và Desulfomicrobium) và
Desulfobacteriaceae. Họ Desulfobacteriaceae phong phú về số chi hơn với khoảng
gần 23 chi như Desulfobulbus, Desulfobacter, Desulfobotulus, Desulfobacterium... .
Điều thú vị của họ Desulfobacteriaceae là khả năng hình thành cụm vi khuẩn
giúp chống lại những điều kiện bất lợi của môi trường như quan sát thấy ở
Desulfosarcina hay khả năng di động cho phép chúng di chuyển đến những vùng có
nhiều chất dinh dưỡng hơn.
Ngược lại với nhóm vi khuẩn khử sunfat Gram âm ưa ấm, nhóm vi khuẩn khử
sunfat Gram dương sinh bào tử có một số loài thích nghi được với mội trường sống có
sự thay đổi nhiệt độ từ ấm lên cao do chúng có cơ chế hình thành bào. Tuy vậy, nhiệt
độ tối ưu cho sinh trưởng của nhóm vi khuẩn này là từ 25 – 40 , một vài loài có thể là
từ 40 -65

. Đến nay chúng ta mới chỉ khám phá ra một chi Gram dương có khả năng

sinh bào tử duy nhất là chi Desulfotomaculum. Với khả năng hình thành bào tử khi gặp
điều kiện sống bất lợi nên chi Desulfotomaculum thường được tìm thấy trong các môi
trường sống mà ở đó khi bắt gặp các chi vi khuẩn khử sunfat ưa ấm khác (như các
cánh đồng lúa nước nơi có sự xen kẽ của điều kiện có oxy và thiếu oxy do sự thay đổi

của mùa nước lên.
Hai nhóm vi khuẩn khử sunfat còn lại là nhóm vi khuẩn khử sunfat ưa nhiệt và
nhóm vi khuẩn cổ ưa nhiệt (Archaea) đều được phân lập tại các môi trường có nhiệt độ
cao như các giếng khoan sâu dưới mặt đất có nhiệt độ lên tới 80 . Các vi khuẩn khử
7


sunfat ưa nhiệt chủ yế là vi khuẩn Gram âm, thuộc các chi Thermodesulfovibrio. Mặc
dù nhóm này có nhiệt độ tối ưu cho sinh trưởng ở 55 - 75

nhưng chúng vẫn có thể

sống dược ở nhiệt độ thấp hơn. Các loài thuộc chi Archaeoglobus, Caldivirga và
Thermocladium (đều được phân lập tại các hệ thống biển nóng) là những đại diện duy
nhất của vi khuẩn khử sunfat trong nhóm vi khuẩn cổ Archaea.
Vi khuẩn khử sulfate (SRB) là các vi khuẩn sinh trưởng kỵ khí, sử dụng sulfate
làm chất nhận điện tử cuối cùng để oxy hóa hydro hay các hợp chất hữu cơ và tận thu
năng lượng cho mục đích sinh trưởng (phản ứng 1.10).
2CH2O + SO42- + H+
H2S + Me2+

H2S + 2HCO3-

MeS + 2H+

(1.10)
(1.11)

SRB phổ biến trong môi trường kỵ khí, nơi chúng có vai trò quan trọng trong
cả chu trình lưu huỳnh và chu trình cacbon (hình 2.1).

8


Hình 2.1. Vị trí của SRB trong chu trình cacbon và lưu huỳnh.

9


2.1.2 Nhu cầu dinh dưỡng của SRB
Hầu hết SRB có nhu cầu dinh dưỡng đơn giản và sinh trưởng tốt trong môi
trường có nguồn cacbon/năng lượng ổn định. Nguồn cacbon và điện tử thích hợp đối
với SRB bao gồm các axit hữu cơ mạch ngắn như acetate, lactate, pyruvate và rượu.
Phụ thuộc vào cách oxy hóa chất hữu cơ mà SRB có thể được phân chia thành
hai nhóm trao đổi chất như sau:
-

Nhóm oxy hóa không hoàn toàn: oxy hóa các hợp chất hữu cơ đến acetate.
Thuộc nhóm này chủ yếu là các loài thuộc chi Desulfovibrio spp.

-

Nhóm oxy hóa hoàn toàn: Oxy hóa các hợp chất hữu cơ (bao gồm cả acetate)
hoàn toàn thành CO2.. Trong nhóm này có đa dạng các loài SRB khác nhau, như
Desulfobacter spp., Desulfobaterium spp., Desulfosarcina spp.
SRB thực hiện trao đổi chất oxy hóa các cơ chất hữu cơ sử dụng sulfate làm

chất nhận điện tử cuối cùng. Sự khử sulfate thành sulfide tiêu thụ 8 điện tử và các quá
trình sinh hóa thông qua nhiều bước trung gian với sự tham gia của nhiều enzyme .

Hình 2.2. Các bước khử sulfate ở SRB và các enzyme tham gia
Phản ứng có thể được tóm tắt như sau:
SO42- → SO32- → HSO3- → HS- → S2-

10


Bảng 2.1. Các cơ chất mà vi khuẩn khử sunphat sử dụng trong sinh trưởng:
Loại hợp chất
Chât vô cơ
Axit monocarboxylic

Các hợp chất được sử dụng
;
Focmat;axetat; propionat; butyrat; isobutyrat; 2-

Axit monocarboxylic

metylbutyrat; 3-metylbutyrat; 3-metylvalerat; pyrurat; lacrat
Succinal; fumarat; malat; oxalat; malenat; glutarat
Metanol; etanol; propanol; butanol; pentanol; isobutanol;

Rượu

etylen glycol (mono-,di-, và tetra); 1,2-propandiol; 1,3-

Axit amin

propandiol; glyxerol
Glyxin; serin; alanin; cystein;cystin; treonin; valin; leuxin;

Cacbonhydrat
Hydrocacbon

isoleuxin; aspartat; glutamat; phenyl alanin
Fructoz; glucoz; mannoz; xyloza; rhamnoz; tinh bột
Hexadecan; hexadecanoat; benzoat; 2-,3-, và 4hydroxybenzoat; phenol; p-cresol;catechol; resorcinol;
hydroquinon; phlorglucinol; pyrogallol; axit nicotinic;
indol; quiolin; phenylacet; naphthalen, 2-methylnaphthalen;

Các hợp chất khác

tetralin; xylen; toluene; ethylbenzen; ethylcyclopentan
Cholin; betain; oxamat; axeton; cyclohexanol;và một số các
hợp chất vòng no khác

Như vậy ta có thể thấy vi khuẩn khử sunphat sử dụng các loại cơ chất
khác nhau từ những hợp chất hữu cơ đơn giản như hydro, lactat… cho đến những hợp
chất phức tạp hơn như các hydratcarbon, hydrocarbon.
Đặc biệt là trong những năm gầnđây, các nhà nghiên cứu ngày càng phát hiện
ra nhiều hợp chất hydrocarbon dầu mỏ mà vi khuẩn khử sunphat có thể làm nguồn cơ
chất

2.1.3 Một số ví dụ và hình ảnh của vi khuẩn khử sulfate.

11


Hình 2.3: Hình ảnh vi khuẩn aceterbaxtor

Hình 2.4. Hình ảnh vi khuẩn desulfovibrio sp.

2.2 Tính chất
2.2.1 Quá trình trao đổi chất và năng lượng
Vi khuẩn khử sunfat thực hiện quá trình trao đổi chất và năng lượng của chúng
trong điều kiện kị khí nghiêm ngặt và có thể oxy hóa khử Eh< -150mV. Sự có mặt của
oxy ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển của chúng. Nếu trong môi trường có oxy thì
chỉ một số ít loài có thể tiếp tục sinh trưởng. Trong điều kiện kị khí, dựa vào quá trình
trao đổi chất vi khuẩn khử sunfat được chia thành hai nhóm chính. Các loài thuộc
nhóm thứ nhất tiến hành oxy hóa không hoàn toàn các hợp chất hữu cơ với axetat là
sản phẩm cuối cùng. Đại diện của nhóm này có thể kể đến chi Desulfovibrio,
Desulfobulbus, Archaeoglobus...Các loài thuộc nhóm thứ hai oxy hóa hoàn toàn chất
hữu cơ kể cả axetat thành

nhờ Desulfobacterium, Desulfococcus, Desulfonema,

Thermodesulfobacterium... . Hầu hết các loài thuộc nhóm một sinh trưởng nhanh hơn
12


nhóm hai, trong khi các loài thuộc nhóm hai còn có thể hợp tác với các loài thuộc
nhóm một bằng cách sử dụng axetat do các loài nhóm một thải ra trong quá trình trao
đổi chất.
Vi khuẩn khử sunfat có thể sử dụng được nhiều loại cơ chất khác nhau. Một số
chất này được nhiều chủng sủ dụng trong khi một số chất khác lại chỉ cí thể là nguồn
năng lượng cho duy nhất một chủng. Chi Desulfovibrio và các chi khác thuộc nhóm vi
khuẩn khử sunfat tỏa nhiệt Gram âm như đã nói là những loài hẹp về cơ chất ( chỉ gồm
hydro, lactat, pyruvat), trái lại, chi Desulfotomaculum lại được biết đến là chi có khả
năng sử dụng nguồn cơ chất rất linh động. Nó sử dụng rất nhiều chất làm chất điện tử
cho quá trình sinh trưởng và phát triển của mình

Các cơ chất vi khuẩn khử sunfat sử dụng trong quá trình sinh trưởng: axit
monocarboxylic
Focmat: axetat; propionat; butyrat; lactat
Succinat: fumarat; malat;oxalat; malenat
Metanol: etanol; propanol; butanol
Glyxin: alanin; cystein;toluen; các hợp chất khác
Cholin; betain; oxamat; axeton; và một số các hợp chất vòng no khác
Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến sinh trưởng của vi khuẩn khử sunfat.
Hoạt động của vi sinh vật trong tự nhiên chịu ảnh hưởng nhiều của các yếu tố vật lý,
hóa học. Những yếu tố này ảnh hưởng không những đến độ lớn và thành phần loài của
các quần thể vi sinh vật mà còn ảnh hưởng đến hình thái và sinh lý của chúng. ở một
số loài, nếu các yếu tố như nhiệt độ, nồng độ muối và pH ở cao hơn hoặc thấp hơn
mức tối ưu thì có thể dẫn tới sự thay đổi đáng kể về trao đổi chất, hình dạng tế bào và
quá trình sinh sản. Tuy rằng, trong các môi trường sống tự nhiên có rất nhiều các yếu
tố khác nhau tác động lên cơ thể sống, song một yếu tố trong chúng bao giờ cũng có ý
nghĩa đặc biệt. Đó là những yếu tố giới hạn khả năng sống của các vi sinh vật ở một
mức độ nhất định.
Trong đó ba yếu tố chính được coi là đóng vai trò quan trọng trong việc
kiểm soát sinh trưởng của vi khuẩn khử sunfat là nhiệt độ, độ mặn và độ pH

13


• Nhiệt độ:

Nhiệt độ ảnh hưởng đến phản ứng khử sunfat, sự tạo thành

S và sự oxy hóa

cơ chất cũng như hình thái tế bào. Theo báo cáo của Mueller và Nielsen, ở một số

chủng vi khuẩn khử sunfat qua nhiệt, phản ứng khử sunfat quan sát được ở nhiệt độ
35-75

và trong khoảng nhiệt độ 50-60

sự khử sunfat xảy ra với tốc độ cao nhất. Ở

nhiệt độ thấp hơn hoặc cao hơn, phản ứng khử sunfat xảy ra với tốc độ thấp hơn và
pha lag kéo dài hơn. Hình thái tế bào rất khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau. Thể tích
tế bào càng tăng khi nhiệt độ tăng. Đối với các mẫu lấy từ vùng Alaska và biển Bắc ở
nhiệt độ 35 . Các tế bào hình que có kích thước trong khoảng 0.3 -0.6 µm 1.5 – 3
µm chiếm ưu thế trong khi đó ở 50
ở 60

các tế bào dạng sợi từ 5-50 µm lại chiếm ưu thế.

các tế bào chiếm ưu thế dài từ 2 – 4µm và có đường kính từ 0.3 – 0.7 µm còn tế

bào chiếm ưu thế ở 75

lại là tế bào hình cầu nhỏ với đường kính trong khoảng 0.2 –

0.5 µm.
Trong tự nhiên vi khuẩn khử sunfat sống được ở điều kiện nhiệt độ khác nhau từ
0-100 .Một số chủng thuộc chi Desulfovibrio có khả năng phát triển ở nhiệt độ 0 .
Do việc lấy mẫu cũng như nuôi cấy vi khuẩn khử sunfat ưa lạnh gặp nhiều khó khăn
nên nhóm vi khuẩn này chua được quan tâm nghiên cứu nhiều. Các vi khuẩn khử
sunfat ưa ấm có thể sống dược nhiệt độ 4-65

trong đó nhiệt độ tối ưu cho sự sinh

trưởng là trong khoảng 29-42 . Vi khuẩn khử sunfat ưa nhiệt lại có thể sống trong
khoảng nhiệt độ 40-89

và nhiệt độ tối ưu cho sự sinh trưởng của chúng là 55- 76.

Còn đối với vi khuẩn khử sunfat siêu ưa nhiệt, nhiệt độ tối ưu cho sự sinh
trưởng của chúng là 80-92

đồng thời nếu nhiệt độ nhỏ hơn 46

hoặc lớn hơn 110

thì chúng không thể sống được.
Đặc trưng về nhiệt độ:

14


Các phản ứng nhiệt độ của quần xã vi khuẩn khử sunfat đã được sử dụng như là đặc
trưng nhiệt độ của quần xã vi khuẩn tại đó
Nhiệt độ làm ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của các cộng đồng vi khuẩn ở
nhiệt độ dưới nước
Trầm tích được thu thập từ một bộ ven biển, thềm lục địa, và độ dốc trầm tích từ
phía tây nam, đông nam Đại Tây Dương và Cực Bắc ở độ sâu 4327 m. Nhiệt độ dao
động tại từ -1oC – 8oC ở Bắc Cực. Ở đặc điểm nhiệt độ này quần xã vi khuẩn khử
sunfat có thể hoạt động được là incubations ngắn hạn với 35S-sulfate trong một khối
gradient bao trùm một phạm vi nhiệt độ 0-40 ◦C.
Nhiệt độ tối ưu (Topt) giữa 27 ◦C và 30 ◦C cho các trầm tích thềm Nam Đại Tây
Dương là biểu hiện của một cộng đồng mesophilic psychrotolerant / sulfate-khử,

trong khi Topt ≤ 20 ◦C ở Nam Đại Tây Dương dốc và thềm Bắc Cực trầm tích cho
thấy một cộng đồng chủ yếu ưa lạnh.
Còn tại trầm tích lục địa dốc cho thấy điều kiện nhiệt độ thuận lợi là 30 ◦C
• Độ mặn (NaCl)
Vi khuẩn khử sunfat được tìm thấy trong môi trường nước tự nhiên có nồng độ
muối NaCl từ 0% đến bão hòa. Tùy từng loài mà nhu cầu NaCl khác nhau. Có những
loài không cần cung cấp NaCl trong môi trường nuôi cấy như các vi khuẩn khử sunfat
nước ngọt. Chúng có thể bị ức chế nếu nồng độ NaCl >2-3%. Ngược lại, nhiều loài
phân lập được từ nước biển rất cần NaCl trong môi trường sống. Chúng không thể sinh
trưởng được trong môi trường nước ngọt mà đòi hỏi 10-30 gNaCl/l và thỉnh thoảng
cần cả muối magie cho quá trình sinh trưởng.
Trong môi trường mặn tự nhiên như hồ muối NaCl, người ta thấy vi khuẩn khử
sunfat vẫn hoạt động ở nồng độ muối NaCl gần bão hòa. Tuy nhiên chưa có báo cáo
nào khẳng định vi khuẩn khử sunfat ưa mặn đòi hỏi nồng độ muối NaCl cao cho sinh
trưởng tối ưu. Một vài vi khuẩn khử sunfat có thể chịu đựng được nồng độ muối NaCl
cao hơn mặc dù hoạt động của chúng bị giảm bớt khi nồng độ NaCl tăng lên đến 510%.

15


Vi khuẩn ưa ấm chịu mặn cao, chẳng hạn Desulfovibrio vietnamensis có khả năng
chịu mặn đến nồng độ 30% NaCl. Tuy nhiên, loài này cũng có thể sống ở nồng độ 0%
NaCl và thích hợp nhất cho sự sinh trưởng ở 5% NaCl.
Đối với vi khuẩn ưa nhiệt thì khoảng nồng độ NaCl mà chúng có thể sinh trưởng
được là 0-6% và thích hợp nhất là 1-2%. Trong khi đó nồng độ NaCl đối với vi khuẩn
siêu ưa nhiệt la 1-2% NaCl
• Độ PH
Sự sinh trưởng và sinh sản của vi khuẩn khử sunfat bị ảnh hưởng mạnh bởi pH môi
trường. Khoảng pH thích hợp của vi khuẩn khử sunfat nằm trong khoảng từ 6-9. Tuy
nhiên, đối với từng loại vi khuẩn khử sunfat lại có pH thích hợp riêng. Chẳng hạn vi

khuẩn khử sunfat ưa ấm có pH thích hợp nằm trong khoảng 6.8-7.5. Tuy vậy chúng có
thể sống được nếu pH giảm xuống 5 hay tăng lê đến 10. Còn đối với vi khuẩn ưa nhiệt
chúng có thể sống được trong khoảng pH 5.5-9.1 và thích hợp trong khoảng 68.-7.5 ,
trong khi đó pH vi khuẩn rất ưa nhiệt là 6-7.
Trong môi trường có pH không thích hợp vi khuẩn khử sunfat vẫn sống được do
chúng vẫn có thể sinh trưởng trong các ổ sinh thái hẹp có pH trung tính được tạo nên
bởi các sản phẩm trao đổi chất của chúng.

2.2.1 Vấn đề về mùi
Khi không có sự hiện diện của oxy, sulfate được coi như là chất cung cấp
oxy (chính xác hơn là chất nhân điện tử) cho quá trình oxy hóa sinh hóa của vi
khuẩn kỵ khí. Trong điều kiện kỵ khí, sulfate bị khử thành S2-. Ion S2- sẽ kết hợp
với ion H+ với hằng số phân ly KA1 = 9,1.10-8. Quan hệ giữa các dạng H2S, HSvà S2- tại các pH khác nhau của dung dịch chứa 10-3 M H2S (hay 32 mg/L H2S)
Tại pH = 8 trong dung dịch tồn tại chủ yếu hai dạng HS- và S2-, H2S chỉ tồn
tại một lượng rất nhỏ, vì vậy áp suất riêng phần của nó rất thấp. Do đó, vấn đề
mùi không xảy ra. Tại pH < 8 cân bằng hướng tới sự hình thành H2S, tại pH = 7,
16


80% S2- ở dạng H2S. Khi một lượng lớn sulfate bị khử thành ion sulfide, áp suất
riêng phần của H2S đủ để gây ra vấn đề về mùi. Do độc tính của khí H2S, trong
không khí hàm lượng của H2S nên nhỏ hơn 20 ppm.

2.2.2 Ăn mòn đường ống
Sự ăn mòn “đỉnh cống“ (crown) của ống bêton là đặc biệt nghiêm trọng khi
mà nước thải sinh hoạt có nhiệt độ cao, thời gian lưu trong cống dài và nồng độ
sulfate cao, điều này đã xảy ra ở nhiều vùng của Mỹ, đặc biệt ở những vùng phía
nam nước này. Nguyên nhân của sự ăn mòn được cho là do quá trình khử sulfate
từ H2S thành H2SO4. Thực ra H2S, hay H2S acid, là một acid yếu, yếu hơn cả
H2CO3 và ít ảnh hưởng đến bêton có chất lượng cao. Tuy nhiên, trong hệ thống

cống thoát nước tự chảy, H2S là nguyên nhân gián tiếp gây ra sự ăn mòn “đỉnh
cống”.
Đối với cống thoát nước tự chảy thường ít dùng trong những môi trường có
sự hiện diện của sulfate và có những biến đổi sinh học. Hệ thống cống là một
phần của hệ thống xử lý và trong quá trình vận chuyển nước thải luôn xảy ra các
biến đổi sinh học. Những biến đổi này đòi hỏi có mặt của oxy, nếu lượng oxy
không đủ do quá trình thông gió tự nhiên của không khí trong cống, quá trình khử
sulfate thành sulfide sẽ xảy ra. Ở pH thông thường của nước thải, hầu hết S 2- ở
dạng H2S và một phần của nó bay vào lớp không khí ở trên lớp nước thải trong
cống. Nếu hệ thống cống được thông gió tốt và thành cống và đỉnh cống khô ráo,
việc hình thành của H2S không gây ra sự ăn mòn cống. Tuy nhiên, trong trường
hợp thông gió kém, thành và đỉnh cống ẩm ướt, H2S sẽ hòa tan vào lớp nước trên
thành và đỉnh cống tương ứng với áp suất riêng phần của nó trong không khí hiện
diện trong cống. Điều này hầu như không gây nguy hại nào.
Vi khuẩn có khả năng oxy hóa H2S thành H2SO4 có mặt khắp nơi trong tự
nhiên và trong nước thải. Và dĩ nhiên là loại vi khuẩn này cũng có mặt trên thành
và đỉnh cống tại những lúc lưu lượng lớn hay theo một số cách khác. Do điều
kiện hiếu khí là luôn tồn tại trong hệ thống cống, những vi khuẩn hiếu khí oxy
hóa H2S thành H2SO4 và sau đó trở nên đậm đặc và ăn mòn bêton. Vi khuẩn
17


Thiobacillus, có khả năng oxy hóa H2S thành H2SO4 ở pH = 2, được cho là loại vi
khuẩn chính gây ra vấn đề này. Quá trình hình thành H2SO4 đặc biệt nghiêm
trọng ở đỉnh cống do tại đó quá trình rút nước là nhỏ nhất.

2.2.3 Ứng dụng
2.2.1 Bổ sung sulfate để tang cường sự phân huy rác tại các bãi chôn lấp
Tại các bãi chôn lấp rác nguyên nhân gây ô nhiễm trầm trọng cho nước mặt và
nước ngầm đó là nước rỉ rác. Do trong nước rỉ rác có hàm lượng các chất hữu cơ khó

phân hủy, nên trong điều kiện tự nhiên sự phân hủy rác ở các bãi chôn lấp diễn ra
chậm gây ra ô nhiễm.
Để tăng cường sự phân hủy rác tại các bãi chôn lấp người ta đã sử dụng biện
pháp tái tuần hoàn nước rỉ rác chứ nhiều oxy tự do hoặc liên kết dưới dạng sunfat
(SO42-), nitrat (NO3-), ...cao, thông qua các quá trình khử sunfat hoặc khử nitrat vi
khuẩn sẽ lấy oxy từ đấy để phân huỷ hiếu khí hoặc thiếu khí các chất hữu cơ trong rác
thải. Bằng cách này sẽ hạn chế được lượng nước rỉ rác xả ra môi trường bên ngoài,
đồng thời rút ngắn được thời rút ngắn thời gian ủ rác, giảm diện tích bãi chôn lấp.
Thông qua một đề tài là nghiên cứu quá trình tái tuần hoàn nước rác trên mô hình
phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy Môi trường sunfat biểu hiện vai trò tích cực trong
phân huỷ thành phần chất hữu cơ ở thể rắn trong rác vào thể lỏng trong nước rác, vô
cơ hoá thành phần hữu cơ ở thể lỏng thể hiện qua việc tạo khả năng oxy hoá mạnh hơn
cho quá trình phân huỷ rác bằng vi sinh. Bằng cách đó mà tăng khả năng thối rữa của
đống rác và khả năng xử lý thành phần hữu cơ khó phân huỷ vi sinh trong nước rác.

18


Hình 2.5. Sơ đồ mô hình thí nghiệm nghiên cứu tuần hoàn nước rỉ bãi chôn rác

3.2.2 Xử lý rác thải giấy
Trong quá trình xử lý rác thải giấy bằng phương pháp yếm khí. Người ta đã sử
dụng vi khuẩn khử sulfate để oxi hóa các axit hữu cơ bậc cao thành H 2S và CO2.
Các vi khuẩn khử sunphat này sử dụng sunphat và sunfit như là những chất nhận điện
tử trong quá trình trao đổi chất của các hợp chất hữu cơ tạo ra H2S, CO2.
Sơ đồ quá trinh xử lí yếm khí
Các chất hữu cơ phức tạp
và hoà tan

Các hợp chất hữu cơ đơn

giản

Các axit hữu cơ bậc cao

H2 và CO2

axetat

CH4 và CO2
19


3.2.3 Sản xuất chế phẩm vi sinh
Các phương pháp chủ yếu được ứng dụng để xử lý nước thải nói chung và nước
nhiễm phèn sắt nói riêng là các phương pháp hóa – lý và chế phẩm vi sinh. Trong đó
phương pháp xử lý bằng các các chế phẩm vi sinh vật được sự quan tâm hơn.
Một trong những chủng vi khuẩn được ứng dụng trong công nghệ xử lý nước nhiễm
phèn sắt là chủng vi khuẩn khử sulfate Desulfovibrio sp. Đây là vi khuẩn Gram âm, kỵ
khí, không hình thành bào tử, tế bào là đơn vibrios vi có kích thước 0,5-0,7 μm x 1,5-3
μm, vi khuẩn có hình dấu phẩy, duy chuyển nhờ roi, có thể tìm thấy trong bùn đáy ao,
trầm tích biển, trong các giếng khoan khai thác dầu khí, mỏ nước ngầm, trong ruột
động vật, trong phân...
Phương pháp này dựa trên khả năng khử ion sulfate (SO42-) đồng thời oxi hóa các
hợp chất hữu cơ (lactate, acetate, ethanol, methanol) tạo ion sulfide (H 2S, HS-, S2-) của
vi khuẩn Desulfovibrio sp. Ion sulfide kết hợp với ion sắt hòa tan trong nước tạo kết
tủa dưới dạng sulfide bền vững
Phản ứng loại bỏ sắt của vi khuẩn Desulfovibrio sp. :

-

2CH3CHOHCOOH + 3 SO42- → 3H2S + 6 HCO3Fe2+ + H2S → FeS↓ + 2H+

3.2.4 Ứng dụng của vi khuẩn khử sulphate trong xử lý ô nhiễm dầu khí.
Vi khuẩn khử sunfat (SRB) phân bố rộng rãi trong tự nhiên, đặc biệt là trong
giếng khai thác dầu khí và trầm tích đáy thủy vực. Khi nhắc đến vi khuẩn khử sulfate
trong dầu khí người ta nghĩ ngay đến tác hại của của chúng như gây ra các hiện tượng
ăn mòn kim loại trong các giếng dầu và các công trình ngầm hay khả năng phân hủy
dầu làm ảnh hưởng đến chất lượng dầu mỏ. Nhưng trong một số trường hợp như vỡ
đường ống dẫn dầu hay sự cố tràn dầu gây ô nhiễm từ dầu khí thì thể dùng làm tác
nhân để xử lý ô nhiễm.
•

Cơ chế phân giải Ankan

Các ankan mạch thẳng là những thành phần dễ bị phân huỷ nhất trong các hợp chất
của dầu mỏ.
20