Phân lập và khảo sát khả năng chuyển hóa lưu huỳnh của một số chủng vi khuẩn, ứng dụng sản xuất chế phẩm vi sinh xử lý chất thải chăn nuôi

Đồ án tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN
- - - - - - - - -- - - - - - - - Tôi tên: Nguyễn Trọng Hưng
Sinh ngày 10 tháng 08 năm 1993
Sinh viên lớp 11DSH04 - Công Nghệ Sinh Học - Trường ĐH Kỹ Công Nghệ TP Hồ
Chí Minh.
Tôi xin cam đoan : Đề tài “PHÂN LẬP VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG
CHUYỂN HÓA LƯU HUỲNH CỦA MỘT SỐ CHỦNG VI KHUẨN, ỨNG
DỤNG SẢN XUẤT CHẾ PHẨM VI SINH XỬ LÝ CHẤT THẢI CHĂN NUÔI”
do Tiến sĩ Phạm Huỳnh Ninh hướng dẫn là đề tài của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trong luận văn tốt nghiệp là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình luận văn nào trước đây. Những thông tin tham khảo trong khóa luận đều
được trích dẫn cụ thể nguồn sử dụng.
Tất cả những nội dung trong đồ án đúng như nội dung đề tài và yêu cầu của
giáo viên hướng dẫn. Nếu có sai sót tôi xin chịu trách nhiệm trước hội đồng.

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Trọng Hưng


Đồ án tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp ở Phân Viện Chăn Nuôi Nam Bộ,
được sự hướng dẫn tận tình của các Thầy Cô, các anh chị và các bạn, em đã hoàn
thành tốt đồ án này. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:
Con xin kính dâng lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Ba Mẹ cùng tất cả
những người thân trong gia đình đã nuôi con khôn lớn nên người và tận tâm lo lắng,
tạo mọi điều kiện cho con được học tập cho đến ngày hôm nay.

Ngôi trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh, nơi em đã gắn
bó suốt bốn năm học qua, giúp em có thể tiếp cận được những điều bổ ích, những
kinh nghiệm trong cuộc sống.
Ban chủ nhiệm khoa Môi Trường và Công Nghệ Sinh Học, các Thầy Cô
trong bộ môn Công Nghệ Sinh Học, Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP
HCM đã trang bị cho em những kiến thức cơ bản, làm nền móng để em thực hiện đề
tài và làm tốt công việc sau này.
TS. Phạm Huỳnh Ninh, Phó bộ môn Dinh Dưỡng và Thức Ăn Chăn nuôi,
Phân Viện Chăn Nuôi Nam Bộ, Thầy đã tạo điều kiện cho em được làm đề tài tại
đây, nhiệt tình hướng dẫn và hỗ trợ cho em trong quá trình hoàn thành đồ án tốt
nghiệp.
Chị Lê Hoàng Bảo Vi, anh Vũ Minh phòng Dinh Dưỡng và Thức Ăn Chăn
nuôi, Phân Viện Chăn Nuôi Nam Bộ đã tận tình chỉ bảo, giảng dạy và giúp đỡ em
trong suốt thời gian thực hiện đồ án.
Các anh, chị phòng Phân Tích Thức ăn Chăn Nuôi đã tạo điều kiện thuận lợi
cho em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tại đây.
Cô Nguyễn Hoài Hương, phòng vi sinh, khoa Công Nghệ Sinh Học – Thực
Phẩm – Môi Trường, Trường Đại học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận
tình giúp đỡ em trong quá trình nhận đề tài.


MỤC LỤC

MỤC LỤC ................................................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..........................................................................................v
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU. ........................................................................4
1.1. Sơ lượt về vòng tuần hoàn lưu huỳnh .............................................................4
1.1.1. Đồng hóa lưu huỳnh: ................................................................................6

1.1.2. Tác dụng khử lưu huỳnh (desulphuration): ..............................................6
1.1.3. Tác dụng lưu hóa (sulphurication): ..........................................................7
1.1.4. Tác dụng khử sulfate (sulfate reduction) ..................................................8
1.2. Giới thiệu về vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh. .....................................................9
1.3. Vai trò của vi khuẩn chuyển hóa lưu huỳnh: ...................................................9
1.2.1 Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục (green sulfure bacteria) .............................11
1.2.2 Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (purple sulfur bacteria): .............................12
1.2.3 Vi khuẩn tự dưỡng hoá năng không sắc tố. .............................................14
1.2.4 Tác động Thiobacillus cho môi trường ...................................................15
1.4. Đặc tính của khí hydrosufua (H2S) ................................................................16
1.5. Giới thiệu về độn lót lên men vi sinh vật trong chăn nuôi. ...........................17
1.5.1. Ứng dụng của vi khuẩn chuyển hóa lưu huỳnh trong đôn lót chăn nuôi ...
.......................................................................................................…17
Chương 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................19
2.1. Đối tượng thí nghiệm .....................................................................................19
2.2. Vật liệu nghiên cứu ........................................................................................19
2.3. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................22
2.3.1. Phương pháp lấy mẫu và phân lập các chủng vi khuẩn chuyển hóa lưu
huỳnh.. ...........................................................................................................22
2.3.1.1. Phương pháp lấy mẫu: ....................................................................22
2.3.1.2. Phương pháp phân lập. ....................................................................23

i


2.3.1.3. Phương pháp xác định hàm lượng SO42- [9] ...................................27
2.3.2. Khảo sát môi trường, pH, nhiệt độ, nồng độ muối, nguồn cơ chất, thời
gian thích hợp cho sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn chuyển hóa lưu
huỳnh… ...........................................................................................................28
2.3.2.1. Khảo sát môi trường tối ưu. ............................................................28

2.3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH ............................................................28
2.3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ....................................................29
2.3.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ NH4Cl ......................................................29
2.3.2.5. Ảnh hưởng của nguồn lưu huỳnh đến sự sinh trưởng và phát triển
của chủng nghiên cứu ...................................................................................30
2.3.2.6. Nghiên cứu động học của quá trình lên men. .................................31
2.4.1. Lên men thử nghiệm tạo chế phẩm ở quy mô phòng thí nghiệm...........31
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN. .................................................................32
3.1. Kết quả lấy mẫu và phân lập các chủng vi khuẩn chuyển hóa lưu huỳnh ....32
3.1.1. Kết quả lấy mẫu ......................................................................................32
3.2. Kết quả phân lập ............................................................................................33
3.2.1. Kết quả nhuộm Gram .............................................................................33
3.2.2. Kết quả khảo sát hoạt tính sunfat hóa ...................................................37
3.3. Kết quả khảo sát môi trường, pH, nhiệt độ, nồng độ muối, nguồn cơ chất,
thời gian thích hợp cho sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn chuyển hóa lưu
huỳnh. 41
3.3.1 Kết quả khảo sát môi trường tối ưu cho chủng TH7 ...............................41
3.3.2 Kết quả khảo sát pH thích hợp cho chủng TH7 ......................................42
3.3.3 Kết quả khảo sát nhiệt độ thích hợp. .......................................................43
3.3.4 Kết quả ảnh hưởng nồng độ muối NH4Cl. ..............................................44
3.3.5 Kết quả khảo sát nguồn lưu huỳnh. ........................................................45
3.3.6 Kết quả khảo Sát sự ảnh hưởng của nồng độ Na2S2O3 ...........................47
2.4.2. Kết quả khảo sát động học quá trình lên men ........................................48
3.4. Kết Quả tiến hành lên men thử nghiệm tạo chế phẩm ở quy mô phòng thí
nghiệm...................................................................................................................50
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.....................................................................52

ii

4.1. Kết luận :........................................................................................................52
4.2. Đề nghị : ........................................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................53
PHỤ LỤC ....................................................................................................................1

iii


DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1. Địa điểm lấy mẫu tại Phân Viện Chăn nuôi Nam Bộ. .............................32
Bảng 3.2. Đặc điểm hình thái, sinh hóa của một số chủng vi khuẩn .......................37
Bảng 3.3. Kết quả định lượng hàm lượng SO42- .....................................................39
Bảng 3.4. Kết quả khảo sát môi trường tối ưu cho chủng TH7 ...............................41
Bảng 3.5. Bảng kết quả khảo sát pH thích hợp cho chủng TH7. .............................42
Bảng 3.6. Bảng Kết quả khảo sát nhiệt độ thích hợp. ..............................................43
Bảng 3.7. Kết quả ảnh hưởng nồng độ muối NH4Cl ...............................................44
Bảng 3.8. Kết quả khảo sát nguồn cơ chất ...............................................................45
Bảng 3.9. Kết quả Khảo Sát sự ảnh hưởng của nồng độ Na2S2O3 ...........................47
Bảng 3.10. Kết quả khảo sát động học quá trình lên men ........................................48
Bảng 3.11. Kết quả kiểm tra nồng độ tế bào trước và sau khi sấy. ..........................50

iv


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Một số chủng vi khuẩn lưu huỳnh màu lục...............................................12
Hình 1.2. Một số vi khuẩn lưu huỳnh màu tía. .........................................................13
Hình 3.1: Khuẩn lạc trên môi trường thạch Beijeninck ............................................33
Hình 3.2: Hình ảnh nhuộm Gram chủng TH8 vật kính 100X ..................................33

Hình 3.3: Hình nhuộm Gram chủng TH7 ở vật kính 100X ......................................34
Hình 3.4: Sự thay đổi pH trong môi trường Thiosulphate broth ..............................35
Hình 3.5: Sự phát triển của vi khuẩn trên môi trường có bổ sung glucose. .............35
Hình 3.6: Hình mẫu đối chứng khả năng sử dụng Na2S2O3 .....................................36
Hình 3.7: Khả năng sử dụng Na2S2O3 của các chủng vi khuẩn ................................36
Hình 3.8: Khả năng di động ......................................................................................37
Hình 3.9: Kết quả định tính sunfat của các chủng vi khuẩn. ....................................38
Hình 3.10: Hình trước và sau khi chuẩn độ chủng TH7 ...........................................39
Hình 3.11: Hình trước và sau chuẩn độ chủng TH8 .................................................39
Hình 3.12: Đồ thị khảo sát hoạt tính sunphat hóa của 4 chủng vi khuẩn. ................40
Hình 3.13: Đồ thị kết quả khảo sát môi trường tối ưu cho chủng TH7 ....................41
Hình 3.14: Đồ Thị kết quả khảo sát pH thích hợp cho chủng TH7 ..........................43
Hình 3.15: Đồ thị kết quả khảo sát nhiệt độ thích hợp. ............................................44
Hình 3.16: Đồ thị kết quả ảnh hưởng nồng độ muối NH4Cl ....................................45
Hình 3.17: Đồ thị kết quả khảo sát nguồn cơ chất. ...................................................46
Hình 3.18: Khuẩn lạc ở thời gian 48 giờ...................................................................48
Hình 3.19: Đồ thị khảo sát động học quá trình lên men chủng TH7 ........................49
Hình 3.20: Môi trường lỏng sau lên men ..................................................................50
Hình 3.21: Chế phẩm sau khi sấy của chủng TH7 ...................................................51

v


Đồ án tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
 Đặt Vấn đề
Theo thống kê năm 2010 của Cục Chăn nuôi cả nước có khoảng 8,5 triệu hộ
chăn nuôi quy mô gia đình và 18000 trang trại chăn nuôi tặp trung. Với tổng đàn
300 triệu con gia cầm và hơn 37 triệu con gia súc, nguồn chất thải từ chăn nuôi thải

ra môi trường tới 84,45 triệu tấn. trong đó, nhiều nhất là chất thải từ lợn (24,96 triệu
tấn), tiếp đến gia cầm (21,96 triệu tấn) và bò (21,61 triệu tấn).
Chất thải trong chăn nuôi lợn là nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng
nhất. Chất thải của các trang trại, gia trại nuôi lợn chủ yếu được xử lý bằng hệ thống
biogas song biện pháp này chỉ giải quyết được vấn đề thu hồi khí sinh học tận thu
làm nhiên liệu còn mức độ giảm thiểu ô nhiễm không đáng kể, không giải quyết
triệt để được tình trạng ô nhiễm môi trường đất, nước và mùi hôi thối.
Một trong những khí gây mùi thối khó chịu cần được kiểm soát trong chăn
nuôi là khí sunful dễ bay hơi, như hydrogen sulfide (H2S), được tạo ra do quá trình
lên men yếm khí các hợp chất hữu cơ.
Khí H2S là loại khí không màu, dễ cháy và có mùi rất đặc trưng giống mùi
trứng thối. Ngưỡng nhận biết bằng mùi của khí H2S trong khoảng: 0,0005 ÷ 0,13
ppm. Ở nồng độ 10 ÷ 20 ppm: làm chảy nước mắt, viêm mắt.
Trong điều kiện bình thường thì H2S là một trong những nguyên nhân gây ra
các vấn đề về màu và mùi. Nồng độ S2- tại hố thu nước thải chăn nuôi lợn có thể lên
đến 330 mg/l cao hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn (theo TCVN 5945 - 2005 cột C
nồng độ sunfua là 1,0 mg/l).
Vấn đề đặt ra là làm thế nào để kiểm soát khí hydrogen sulfide trong chăn nuôi?

1


Đồ án tốt nghiệp

Các khí sulfur dễ bay hơi có thể được hấp thụ bởi các vi khuẩn hóa dưỡng
như Thiobacillus thioparus, quang dưỡng như Cholorobium spp, hay Cholomatium
sp. Tuy nhiên các vi khuẩn này cần có điều kiện chuyên biệt để phát triển, khó áp
dụng vào xử lý chất thải chăn nuôi. Do đó, các vi khuẩn dị dưỡng sử dụng, phân
hủy sulfur (Thiobacillus, Thiobacterium….) là đối tượng tiềm năng cho việc tuyển
chọn để sản xuất chế phẩm vi sinh dùng trong đệm lót chăn nuôi để hạn chế mùi hôi

thối khó chịu từ H2S. Hiện tại các sản phẩm vi sinh dùng trong đệm lót sinh học chủ
yếu được nhập khẩu, chỉ duy nhất một sản phẩm được sản xuất trong nước là chế
phẩm Balasa No1. Nhằm đa dạng hóa sản phẩm dùng trong đệm lót vi sinh, góp
phần hạn chế phụ thuộc vào sản phẩm nhập ngoại, cần thiết phải tiến hành phân lập,
khảo sát, tìm ra các chủng vi sinh có hoạt lực cao trong phân giải, chuyển hóa các
hợp chất hữu, đặc biệt là vi khuẩn chuyển hóa H2S.
Từ những nhận định trên tôi thực hiện đề tài : “PHÂN LẬP VÀ KHẢO SÁT
KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA LƯU HUỲNH CỦA MỘT SỐ CHỦNG VI
KHUẨN, ỨNG DỤNG SẢN XUẤT CHẾ PHẨM VI SINH XỬ LÝ CHẤT THẢI
CHĂN NUÔI”
Đề tài này là 1 phần trong đề tài nghiên cứu sản xuất chế phẩm vi sinh dùng
trong đệm lót sinh học cho chăn nuôi của Bộ môn Nghiên Cứu Dinh Dưỡng Chăn
Nuôi thuộc Phân Viện Chăn Nuôi Nam Bộ.
 Mục tiêu và phạm vi của đề tài
-

Phân Lập các chủng vi khuẩn chuyển hóa lưu huỳnh từ nước thải, bùn,
phân…

-

Khảo sát môi trường, độ ẩm và pH thời gian thích hợp cho sự sinh trưởng và
phát triển của vi khuẩn chuyển hóa lưu huỳnh.

-

Xác định được môi trường và pH thời gian thích hợp cho sự sinh trưởng và
phát triển của vi khuẩn chuyển hóa lưu huỳnh.

2

Đồ án tốt nghiệp

-

Bước đầu lên men thử nghiệm sản xuất chế phẩm ở quy mô phòng thí
nghiệm.

 Ý nghĩa của đề tài
Phân lập được chủng vi khuẩn có các đặc tính tốt trong chuyển hóa H2S, ứng
dụng sản xuất chế phẩm vi sinh dùng trong đệm lót sinh học, phục vụ cho
ngành chăn nuôi sạch, không mùi.
 Thời gian và địa điểm nghiên cứu.

-

-

Các thí nghiệm về vi sinh và sản xuất chế phẩm sẽ được thực hiện tại Phòng
Phân tích số 12, Nguyễn Chí Thanh, Quận 10, TP.HCM.

 Thời gian nghiên cứu.
-

Từ ngày 25/5/2015 đến 17/8/2015.

3

Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU.
1.1.

Sơ lượt về vòng tuần hoàn lưu huỳnh
Lưu huỳnh (S) là nguyên tố lớn thứ 14 trong vỏ Trái đất, phân tử lượng là

32,06. Giống như P, hàm lượng S trong cơ thể khá thấp, chỉ vào khỏang 0,25%,
nhưng lại là một thành phần quan trọng của chất nguyên sinh. Trong thiên nhiên S
hình thành 8 dạng oxy hóa, từ hóa trị -2 đến +6. Trong các loại oxid, quặng sắt vàng
(FeS2) chứa nhiều S nhất, là nguồn S lớn nhất trên trái đất. Kho dự trữ S chính ở
nham quyển (như quặng sulfur, S trầm tích và nhiên liệu khoáng). Khối lượng muối
sulfate hòa tan trong nước biển cũng rất lớn. S còn tồn tại trong khí quyển với các
dạng khí H2S, SO2 và sulfur methyl. Cơ thể sinh vật và chất hữu cơ chứa rất ít S,
nhưng là nguồn S có tốc độ tuần hoàn nhanh (Schlesinger, 1997). Tuần hoàn S là
một trong các vòng tuần hoàn phức tạp nhất của sinh quyển, vừa có tuần hoàn thể
khí, vừa có tuần hoàn trầm tích, cho nên được coi thuộc dạng tuần hoàn quá độ.
Trong tuần hòan lưu huỳnh, vi sinh vật xúc tác các quá trình oxy hóa và khử S dưới
các hình thức khác nhau, thúc đẩy tuần hoàn sinh địa hóa học và đóng vai trò quan
trọng hàng đầu.
 Vòng tuần hoàn lưu huỳnh cơ sở (theo Prescott và cộng sự).
Quá trình cơ bản của vòng tuần hòan S là: tầng nham thạch sulfate và nhiên
liệu hóa thạch trong đất liền và trong đại dương bị phân hủy và phong hóa tự nhiên,
cùng với sự phun trào núi lửa sẽ giải phóng H2S, SO2 vào khí quyển. S trong khí
quyển thông qua tác dụng mưa và trầm lắng một phần trở về biển, phần khác trong
đất biến thành muối sulfate dành cho thực vật hấp thu, là thành phần của một số
amino axít, di chuyển trong chuỗi thức ăn. Chất bài tiết và xác động thực vật bị vi
sinh vật phân hủy, S bị giải phóng ra, lại trở về đất hoặc qua các dòng chảy trên mặt
đất rửa trôi về sông hồ rồi tới biển và trầm tích ở đáy biển sâu. Do hàm lượng S

trong thiên nhiên rất phong phú, nhu cầu của sinh vật đối với S không nhiều như đối

4


Đồ án tốt nghiệp

với C, O, P, nên S rất ít khi trở thành nhân tố hạn chế đối với sự sinh trưởng của cơ
thể. Theo Black (2002). Vi khuẩn quang hợp dùng hợp chất lưu huỳnh làm chất cho
electron để chuyển hóa lưu huỳnh đó là chức năng của Thiobacillus.
Ngược lại, khi sulfate khuếch tán đến môi trường có trạng thái khử thì chúng
sẽ tạo cơ hội cho những nhóm vi sinh vật khác tiến hành khử sulfate (sulfate
reduction). Chẳng hạn, khi tồn tại một chất khử hữu cơ có thể sử dụng được thì vi
khuẩn Desulfovibrio sẽ dùng sulfate để làm chất oxy hóa, sử dụng sulfate như chất
nhận electron ngoại lai để hình thành sulfid tích lũy lại trong môi trường. Đó là ví
dụ điển hình của quá trình khử dị hóa (dissimilatory reduction) và hô hấp kỵ khí.
Ngược lại, việc khử sulfate trong quá trình sinh tổng hợp amino axít và protein
được coi là một quá trình khử đồng hóa (assimilatory reduction). Nhiều vi sinhvật
khác cũng được biết đến là loại khử dị hóa lưu huỳnh nguyên tố, đó là
Desulfuromonas, cổ khuẩn ưa nhiệt, và cả các vi khuẩn lam trong các trầm tích có
độ muối cao. Sulfit là một dạng trung gian quan trọng khác, nó có thể bị nhiều loại
vi sinh vật khử thành sulfit, đó là các vi khuẩn như Alteromonas, Clostridium và
Desulfomaculum. Vi khuẩn Desulfovibrio thường được coi là loại kỵ khí bắt buộc.
Tuy nhiên các nghiên cứu gần đây cho biết khi chúng tồn tại trong môi trường có
mức oxy hòa tan là 0,04% thì chúng cũng có thể dùng oxy để hô hấp. Ngoài ra, các
vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh thuộc nhóm tự dưỡng quang năng rất quan trọng như
Chromatium và Chlorobium có thể tác động mạnh trong điều kiện kỵ khí nghiêm
ngặt dưới chiều sâu của nước, một nhóm lớn các vi khuẩn khác nhau có thể thực
hiện quang hợp hiếu khí không sinh oxy (Aerobic anoxygenic photosynthesis).
Trong môi trường nước biển và nước ngọt phát hiện thấy các vi khuẩn quang hợp

hiếu khí không sinh oxy này sử dụng sắc tố bacterioclorophyl và carotenoid, chúng
thường là thành phần chính của quần lạc vi sinh vật. Các chi chủ yếu là
Erythromonas, Roseococcus, Porphyrobacter và Roseobacter. Các thành phần
“nhỏ” trong vòng tuần hoàn lưu huỳnh có vai trò quan trọng trong sinh học. Một ví
dụ điển hình là dỉmtylsulfoniỏpopionat (DMSP), chúng được sử dụng bởi vi khuẩn

5


Đồ án tốt nghiệp

phù du (bacterioplankton) như nguồn lưu huỳnh để tổng hợp protein, chuyển hóa
thành dimethylsulfid (DMS) - một chất lưu huỳnh bay hơi có thể ảnh hưởng tới các
quá trình của khí quyển. Khi điều kiện pH và thế oxy hóa khử thích hợp, nhiều
chuyển hóa quan trọng trong vòng tuần hoàn lưu huỳnh cũng có thể thực hiện thông
qua các phản ứng hóa học mà không có sự tham gia của vi sinh vật. Một ví dụ quan
trọng của quá trình phi sinh học này là sự oxy hóa sulfid thành lưu huỳnh nguyên
tố.
Những bước then chốt của vòng tuần hoàn lưu huỳnh bao gồm các quá trình sau
đây:
1.1.1. Đồng hóa lưu huỳnh:
Đó là quá trình vi sinh vật sử dụng sulfate và H2S tạo nên vật chất của tế
bào. Vi sinh vật ngòai một số rất ít có thể đồng hóa trực tiếp S, phần lớn phải dùng
sulfate làm nguồn S. Sau khi chúng hấp thu sulfate sẽ khử thành sulfur, kết hợp với
các chất của tế bào như protein, quá trình đó được gọi là tác dụng khử sulfate chất
đồng hóa. Tác dụng khử sulfate cần dùng tới năng lượng. Trước khi khử sulfate cần
tiêu hao ATP để chuyển hóa thành adenosin 5’ phosphosulfate (APS); tiếp theo phải
tiêu hao ATP thứ 2 để chuyển hóa APS thành 3’ phosphoadenosin 5’phosphosulphat (PAPS). Sau đó khử PAPS thành sulfit, rồi khử tiếp thành sulfid.
Sulfid sinh ra được serine hấp thu, rồi tạo thành cystein.
1.1.2. Tác dụng khử lưu huỳnh (desulphuration):

Chỉ quá trình protein và các chất hữu cơ chứa S khác được vi sinh vật phân
hủy phóng thích H2S. Nhiều Vi sinh vật họai sinh trong hồ có khả năng này, chẳng
hạn các lòai sống trong những hồ nghèo dinh dưỡng như Mycobacterium phlei,
Mycobacterium filiforme; các loài sống trong những hồ giàu dinh dưỡng như
Pseudomonas fluorescens, Bacterium delicatum. Các loài tảo biển thường tổng hợp
dimethylsulfoniopropionat (DMSP), dùng để điều tiết áp suất thẩm thấu tế bào.
DMSP được vi sinh vật phân giải chuyển hóa thành dimethylsulfid (DMS). DMS

6


Đồ án tốt nghiệp

bay hơi vào khí quyển, rồi sẽ cùng với H2S dưới tác dụng của ánh sáng tạo thành
sulfate.
H2S+DMS → S2O32- → H2SO4
Loài người đốt cháy các nhiên liệu chứa S, thải SO2 ra khí quyển, hình thành
khói axít, H2SO4 tan trong hơi nước, khiến cho pH nước mưa từ trung tính giảm
xuống còn 3,5, hình thành nên mưa axít, gây ô nhiễm môi trường và làm nguy hại
đến sức khỏe nhân loại..
1.1.3. Tác dụng lưu hóa (sulphurication):
Quá trình hình thành H2SO4 từ H2S, S, FeSO4 gọi là lưu hóa hay oxy hóa lưu
huỳnh (sulfur oxydation). Tham gia tác dụng lưu hóa có vi khuẩn lưu hóa và vi
khuẩn lưu hùynh.
Vi khuẩn lưu hóa: Những lòai thuộc chi Thiobacillus có thể oxy hóa S hoặc
sulfid để thu năng lượng, sinh ra H2SO4, đồng hóa CO2 và tổng hợp nên chất hữu
cơ, thường bên trong tế bào không chứa trữ các hạt lưu huỳnh, như Thiobacillus
thiooxidans chẳng hạn:
2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + năng lượng
Na2S2O 3 + 2O2 + H2O → Na2SO4 + H2SO4+ năng lượng

H2S + O2 → 2H2O + năng lượng
Vi khuẩn Thiobacillus ferrooxydans có thể thu được năng lượng từ qua trình oxy
hóa FeSO4 thành Fe 2(SO4)3:
4FeSO4 + O2 + H2SO4→ 2 Fe2(SO4)3 + H2O
Vi khuẩn Thiobacillus ferrooxydans chịu được axít mạnh, Fe2(SO4)3 lại là chất dễ
hòa tan, vì vậy có thể dùng vi khuẩn này để tách được đồng, sắt ra từ các dạng xỉ
quặng hay quặng nghèo:

7


Đồ án tốt nghiệp

FeS + 7 Fe2(SO4)3 + 8 H2O → 15 FeSO4 + 8 H2SO4 Cu2S + 2 Fe2(SO4)3 → 2Cu SO4
+ 4 FeSO4 + S
Phương pháp tách quặng thông qua vi khuẩn được gọi là phương pháp luyện
kim ướt, các chất FeSO4, CuSO4 sinh ra sẽ qua các phương pháp hiện đại để thu hồi
lại kim loại.
Ngoài ra, vi khuẩn lưu hùynh màu lục và vi khuẩn lưu huỳnh màu tía có thể
quang hợp trong điều kiện kỵ khí:
CO2 + H2S →(ánh sáng)→ [C H2O] +2S + 2 H2O
3CO2 + 2S + 5H2O →(ánh sáng)→ 3[CH2O] + 2H2SO4
Vi khuẩn lưu huỳnh:Có thể oxy hóa H2S thành S và tích trữ hạt S trong tế
bào. Khi môi trường thiếu H2S, chúng sẽ oxy hóa tiếp S thành H2SO4 , năng lượng
sinh ra được dùng để cố định CO2.
2 H2S + O2 → 2S + 2 H2O+ năng lượng
2S + 2 H2O → 2 SO4-2 + 4H+ + năng lượng
1.1.4. Tác dụng khử sulfate (sulfate reduction)
Tác dụng khử sulfate có 2 dạng: dạng đồng hóa và dạng dạng dị hóa. Tác
dụng khử sulfate dạng dị hóa là quá trình S hoặc sulfate dưới tác dụng của vi sinh

vật được dùng làm thể nhận electron và bị khử thành H2S. Ví dụ phẩy khuẩn
Desulfovibrio desulfuricans có thể sử dụng glucose và lactose để khử sulfate:
C6H12O6 + 3H2SO4 → 6 CO2 + 6H2O + 3 H2S+ năng lượng 2CH3CHOHCOOH
(axít lactic) + H2SO4 → 2CH3COOH (axít acetic) + 2CO2 + 2H2O + H2S+ năng
lượng
Trong phản ứng trên axít lactic oxy hóa không triệt để, làm tích lũy axít
acetic.Trong các ống thóat nước thải bằng bê tông hoặc bằng gang, nếu có mặt
sulfate, đáy ống thường do thiếu oxy sẽ sản sinh ra H2S. H2S sẽ nổi lên bề mặt tàng

8


Đồ án tốt nghiệp

nước thải, gặp oxy hòa tan, H2S bị vi khuẩn lưu hùynh hoặc vi khuẩn sulfur hóa oxy
hóa thành H2SO4 và làm ăn mòn đường ống. Trong thực tế có thể chống ăn mòn
bằng cách duy trì dòng nước thải chảy thông suốt và nâng cao điện thế khử.
1.2.

Giới thiệu về vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh.
Vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh hay còn gọi là vi khuẩn lưu huỳnh, gồm nhiều

loài vi khuẩn lục, vi khuẩn tía có khả năng quang hợp, những vi khuẩn tự dưỡng
hoá năng không sắc tố, có khả năng dùng các hợp chất lưu huỳnh làm nguồn năng
lượng và nguồn cung cấp điện tử để đồng hoá CO2 và sinh trưởng. Thuộc vi khuẩn
lưu huỳnh có nhiều loài của chi Thiobacillus, Thiomicrospira, Sulfolobus. Một số vi
khuẩn lưu huỳnh, mặc dù oxi hoá lưu huỳnh và tích luỹ lưu huỳnh trong tế bào,
nhưng vẫn còn cần chất hữu cơ để sinh trưởng như các vi khuẩn lưu huỳnh dạng sợi
thuộc chi Deggiatoa, Thiothrix, Thioploca và vi khuẩn lưu huỳnh đơn bào của
chi Achromatium,Macromonas, Thiovulum. Tham gia tích cực vào vòng tuần hoàn

lưu huỳnh trong tự nhiên, một số có vai trò khử H2S làm sạch nguồn nước. Số khác
dùng trong khai thác kim loại từ các quặng nghèo hoặc xỉ quặng. Ăn mòn làm hư
hỏng các thiết bị kim loại trong hầm mỏ, phá huỷ bê tông.
1.3.

Vai trò của vi khuẩn chuyển hóa lưu huỳnh:

-

Tham gia vào chu trình chuyển hóa lưu huỳnh trong tự nhiên.

-

Tạo nguồn năng lượng sơ cấp cho hệ sinh thái.

-

Cùng với thực vật đưa lưu huỳnh vào protein.

-

Góp phần điều hòa các chu trình khác như chu trình N, P, K.

Sự chuyển hoa lưu huỳnh trong đất diễn ra theo 4 quá trình.
-

Giai đoạn khoáng hóa

-

Giai đoạn oxi hóa lưu huỳnh

-

Giai đoạn khử của lưu huỳnh

-

Giai đoạn bất động của lưu huỳnh.

9


Đồ án tốt nghiệp

Bốn quá trình này diễn ra tùy theo điều kiện môi trường và tùy theo quá trình diễn
ra trước đó. Các quá trình này diễn ra có sự tham gia của vi sinh vật.
 Sự khoáng hóa của lưu huỳnh.
Điều kiện thoáng khí: sản phẩm là SO42- ngoài phần S sử dụng cho bản thân sinh vật
để tổng hợp protein.
Điều kiện yếm khí: Sản phẩm là H2S và một vài mercaptan có mùi nhờ vi khuẩn
yếm khí.
 Sự oxi hóa lưu huỳnh vô cơ trong đất.
Lưu huỳnh vô cơ được tạo ra do khoáng hóa lưu huỳnh và các quá trình khác
bị oxi hóa tạo ra SO42-, quá trình này có thể là phản ứng hóa học thuần túy hoặc do
vi sinh vật nhưng chủ yếu là do vi sinh vật.
Có 4 nhóm vi sinh vật oxi hóa S:
Nhóm vi khuẩn hình que thiobacillus gồm 9 loài trong đó T. novellus oxi hóa
cả S trong chất hữu cơ.
Nhóm vi khuẩn, nấm và xạ khuẩn.

Nhóm vi khuẩn sunua lục và tím, quang tổng hợp.
Nhóm vi khuẩn có dạng sợi. Gồm 2 bộ và 6 họ.
-Bộ Neggiatoales:
+ Họ Beggiatoaceae: Beggiatoa, Thiothrix, Thioplaca
+ Họ Leucotrichaceae: leucothrix.
+ Họ Achromatiaceae: Achromatium
-Bộ Pseudomonales:
+ Họ Thiobacteriaceae: Thiobacterium
+ Họ thiorhodaceae

10


Đồ án tốt nghiệp

+ Họ Chlorobacteriaceae
Nhóm vi khuẩn hình sợi thường gặp trong nước, oxi hóa H2S, vi khuẩn quang tổng
hợp thường gặp trong nước.
 Sự khử lưu huỳnh trong dất
Khi đất bị thiếu khí do ngập nước, nồng độ sulfid tăng trong khi nồng độ
sunfat giảm nhanh, sự khử của S diễn ra mạnh mẽ do lựng vi khuẩn S tăng nhanh.
 Sự bất động lưu huỳnh trong đất
Vi sinh vật cần S để phát triển và phải lấy S từ môi trường xung quanh. Vi
sinh vật có thể lấy S từ Sunfat, hyposulfic, thiosulfat, sunfid và các S hữu cơ như
các axít amin trogn tế bào. Hiện tượng này gọi là bắt động S trong đất do vi sinh
vật.

1.2.1 Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục (green sulfure bacteria)
Thuộc nhóm này là các vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, có khả năng quang tự
dưỡng vô cơ (photolithoautotroph), tế bào có chứa chlorophyll a cùng với b, c hoặc

e, chứa caroten nhóm 5, hệ thống quang hợp liên quan đến các lục thể (chlorosom)
và độc lập đối với màng sinh chất. Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors)
trong quang hợp thường sử dụng H2, H2S hay S . Hạt lưu huỳnh tích luỹ bên ngoài
tế bào Không có khả năng di động , một số loài có túi khí; tỷ lệ G+C là 48-58%.
(Nguyễn Lân Dũng, 1962)

11


Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.1. Một số chủng vi khuẩn lưu huỳnh màu lục.

1.2.2 Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (purple sulfur bacteria):
Vi khuẩn lưu huỳnh tía, danh pháp khoa học Chromatiales, là một nhóm vi
khuẩn có khả năng quang hợp, chúng thường được gọi chung là vi khuẩn tía. Chúng
là các sinh vật ưa khí, và thường được tìm thấy trong các suối nước nóng hay môi
trường nước tù. Không giống như thực vật, tảo và cyanobacteria, chúng không sử
dụng nước làm chất khử và cũng không sinh oxi trong quá trình quang hợp. Thay
vào đó, chúng sử dụng ôxi hóa hydro sulfua để tạo ra lưu huỳnh nguyên tố, sau đó,
lưu huỳnh này là bị oxy hóa thành axít sulfuric.
Vi khuẩn lưu huỳnh tía được chia thành 2 họ, Ectothiorhodospiraceae, và
Chromatiaceae chúng có khả năng tạo ra các hạt lưu huỳnh theo thứ tự bên trong
và bên ngoài tế bào, và do đó chúng thể hiện những đặc điểm khác nhau về cấu trúc
của các màng tế bào bên trong của chúng.
Vi khuẩn lưu huỳnh tía thường được tìm thấy trong các vùng được chiếu
sáng nhưng thiếu oxy của các hồ các dạng chứa nước khác nơi mà hydro sulfua tích
tụ, và cũng như trong các "suối lưu huỳnh" nơi mà các sự sản sinh ra hydro sulfua
từ quá trình sinh học hoặc địa hóa có thể gây ra hiện tượng nở hoa của vi khuẩn lưu

12


Đồ án tốt nghiệp

huỳnh tía. Các điều kiện thiếu ôxi là bắt buộc đối với quá trình quang hợp; các vi
khuẩn này không thể phát triển mạnh trong các môi trường ôxy hóa (Proctor, 1997)
Thuộc nhóm này là các vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, có khả năng quang tự
dưỡng vô cơ (photolithoautotroph), tế bào có chứa chlorophyll a hoặc b , hệ thống
quang hợp chứa các màng hình cầu hay hình phiến (lamellar) gắn với màng sinh
chất. Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang hợp thường sử
dụng H2, H2S hay S . Có khả năng di động với tiên mao mọc ở cực, có loài chu
mao, tỷ lệ G+C là 45-70%. (Nguyễn Lân Dũng, 1962).

Hình 1.2. một số vi khuẩn lưu huỳnh màu tía.

13


Đồ án tốt nghiệp

1.2.3 Vi khuẩn tự dưỡng hoá năng không sắc tố.
Là nhóm vi khuẩn có khả năng oxy hoá lưu huỳnh, hydrosunfua, Na2S2O3 và
Na2S4O6 thành sulfat mà không để lưu huỳnh đọng lại trong tế bào. Chúng phân bố
rộng rãi trong đất, nước (trong cả nước mặn lẫn nước ngọt) và đóng vai trò quan
trọng trong quá trình làm sạch nước.
Đa số vi khuẩn tự dưỡng hoá năng không sắc tố (Thiobacterium thioparus,
Thiobacillus thiooxidans), hiếu khí bắt buộc, thường là Gram âm, hình que nhỏ, di
động hay không (có lông roi ở đỉnh) và không có bào tử. Các vi khuẩn sulfate hoá
phát triển ở các độ pH rất khác nhau có thể dao động từ 2 đến 9,6.

Vi khuẩn tự dưỡng hoá năng không sắc hầu như không sử dụng được nguồn
cacbon hữu cơ, chúng lấy năng lượng từ qúa trình oxy hoá lưu huỳnh và các hợp
chất của lưu huỳnh như hydrosunfua, sulfit và thiosunfat......
Đại diện vi khuẩn chuyển hóa lưu huỳnh là Thiobacillus có một số đặc
điểm sau:
Các chi Thiobacillus bao gồm các vi khuẩn gram âm không màu hình que
ngắn và di chuyển bằng cách sử dụng một roi cực. Kích thước tế bào 0,3 x 1-3 µm
và không hình thành bào tử. vi khuẩn phát triển tốt nhất ở 25-35oC và pH từ 3 đến 7.
Nó có khả năng thu năng lượng từ quá trình oxy hóa của nguyên tố lưu huỳnh và
các hợp chất chứa lưu huỳnh. Một vài loài đôi khi có thể đồng hóa một số lượng
nhỏ các hợp chất hữu cơ nhưng chỉ đến một mức độ giới hạn và trong một mô hình
hạn chế.

14


Đồ án tốt nghiệp

Trong tự nhiên, việc phân phối giảm hợp chất lưu huỳnh vô cơ chỉ là một
trong những yếu tố chi phối sự hiện diện và hoạt động của các vi khuẩn lưu huỳnh
không màu. Một yếu tố quan trọng là yêu cầu về sự hiện diện đồng thời của một nhà
tài trợ điện tử và nhận điện tử (tức là, oxy hoặc nitơ oxit). Các vi khuẩn có xu
hướng phát triển trong khu vực hẹp và dốc nơi sulfide và oxy cùng tồn tại, chẳng
hạn như trong hồ phân tầng và tại giao diện giữa nước hiếu khí và trầm tích kỵ khí.
Có hai loại chính của Thiobacillus, một trong đó chỉ mọc ở pH trung tính và hai là
các loài mọc trong môi trường không phải là pH trung tính.

1.2.4 Tác động Thiobacillus cho môi trường
Đa số các vi khuẩn lưu huỳnh không màu tạo ra axít sulfuric, nó thường gắn
liền với sự ăn mòn oxy hóa của bê tông và ống dẫn, liên quan đến sự ăn mòn của

các tòa nhà và các di tích cổ xưa. Axít và ô nhiễm kim loại cũng có thể là một kết
quả của các hoạt động của Thiobacillus trong chất thải mỏ (Tuovinen và Kelly,
1972). Về mặt tích cực hơn, việc sản xuất axít sulfuric có thể được sử dụng trong
quá trình lọc quặng để tách các kim loại từ quặng nghèo mà không thích hợp cho
khai thác bằng phương pháp luyện kim thông thường.

15


Đồ án tốt nghiệp

Trong đất, Thiobacillus đôi khi có thể chịu trách nhiệm về hòa tan các hợp
chất lưu huỳnh, do đó làm cho lưu huỳnh có sẵn (như sulfate) cho đồng hóa bởi các
vi sinh vật và thực vật khác.
1.4.

Đặc tính của khí hydrosufua (H2S)
Trong các hợp chất của lưu huỳnh, khí H2S là một khí quan trọng vì ý nghĩa

môi trường của nó. Khí H2S phát sinh chủ yếu từ quá trình phân hủy hữu cơ, có mùi
hôi đặc trưng và gây ra nhiều tác hại đến sức khỏe của con người, hệ động thực vật.
Chính vì vậy, từ nhiều thập niên trước, các nhà khoa học đã nghiên cứu về loại khí
độc hại này. Kết quả của nhiều quá trình nghiên cứu đã chứng minh được nguồn
gốc phát sinh, tính chất vật lý cũng như tác động đến môi trường của chúng
Nguồn phát sinh: trong công nghiệp, khí sunfua hydro xuất hiện trong khí
thải các quá trình sử dụng nhiên liệu hữu cơ chứa sunfua, các quá trình tinh chế dầu
mỏ, các quá trình tái sinh sợi, hoặc trong công nghiệp ché biến thực phẩm ( Đặng
Kim Chi, 2001). Ngoài ra, H2S còn phát sinh từ rác thải sinh hoạt, rác công nghiệp.
Trong tự nhiên, H2S có trong nước suối, bờ biển, ao tù, trong khí núi lửa, các hầm
lò khai thác than, khí thoát ra từ các chất protein bị thối rữa,…(Phạm Ngọc Đăng,

2003)
Tính chất vật Lý: Theo Lê Xuân Trọng (2007), hydro sunfua là khí không
màu, mùi trứng thúi. H2S dễ bay hơi so với nước, vì thực tế không tạo thành liên kết
hidro giữa các phân tử H2S. Khí H2S ít tan tron nước: ở 20oC độ tan cùa S=0,38
g/100g nước.
Tác hại của H2S đối với sức khỏe vật nuôi: gây kích ứng mắt, viêm cục bộ
màng mắt và đường hô hấp (Curtis, 1983). Tác động gây kích ứng của H2S ít hay
nhiều đều giống nhau qua đường hô hấp mặc dù cấu trúc của lớp phổi có thể dễ bị
ảnh hưởng nhất. viêm phổi lớp sâu thường dẫn tới phù phổi. H2S có thể nhanh
chóng hấp thụ qua phổi và gây ra nhiễm độc hệ thống hô hấp con vật (Hoàng Thu
Hằng, 1997). Theo Waldmann và Wendt (2001), tiêu chuẩn về hàm lượng khí độc

16


Đồ án tốt nghiệp

tối đa cho phép trong chuồng nuôi của các khí độc H2S là 5ppm. Cục quản lý sức
khỏe và an toàn nghề nghiệp của Mỹ (OSHA) khuyến cáo nồng độ khí H2S trong
chăn nuôi không quá 10ppm.
Khí H2S rất độc, chỉ cần nồng dộ bằng 5ppm đã gây ngộ độc, chóng mặt,
nhức đầu. Ở nồng độ lớn hơn 150 ppm, có thể gây tổn thương đến màng nhầy của
cơ quan hô hấp. Với nồng độ 500ppm, gây viêm phổi và tiêu chảy. tiếp xúc ngắn
với khí H2S ở nồng độ từ 700- 900 ppm thì chúng sẽ nhanh chóng xuyên qua màng
túi phổi, xâm nhập vào mạch máu và gây tử vong (Đặng Kim Chi, 2001). Ngoài ra,
hydro sunfua còn làm tổn thương lá, rụng lá và làm giảm khả năng sinh trưởng của
thực vật.
Theo tiêu chuẩn môi trường Việt Nam ( TCVN 5937/5938-1995), nồng độ
H2S cho phép ở khu dân cư là 0,008 mg/m3 (0,0052ppm), ở khu sản xuất là
2mg/m3 (1,3 ppm).

1.5.

Giới thiệu về đệm lót lên men vi sinh vật trong chăn nuôi.
Hiện nay trên thế giới đã áp dụng nhiều phương pháp chăn nuôi như chăn

nuôi hữu cơ, chăn nuôi an toàn sinh học, và mới đây là công nghệ chăn nuôi sinh
thái không chất thải dựa trên nền tảng công nghệ lên men vi sinh đệm lốt nền
chuồng. Với công nghệ này, toàn bộ phân nước tiểu nhanh chống được vi sinh vật
phân giải và chuyển thành nguồn thức ăn protein sinh học cho chính vi sinh vật. Do
đó, trong chuồng nuôi không có mùi hôi thối vì si sinh vật hữu ích trong chế phẩm
sử dụng đã cạnh tranh và tiêu diệt các vi sinh vật có hại và sinh mùi khó chịu.
1.5.1. Ứng dụng của vi khuẩn chuyển hóa lưu huỳnh trong đệm lót chăn nuôi.

 Sự khử mùi hôi và khí độc.
Việc khử mùi hôi và khí độc trong đệm lót là do hấp phụ vật lý của độn lót
và của ánh sáng, nhưng tác dụng khử mùi thối của vi khuẩn hữu ích sử dụng trong
chế phẩm vi sinh tổng hợp mới là chủ yếu.

17


Đồ án tốt nghiệp

 Vi sinh vật có ích thực hiện giảm mùi theo hai cách:
Ức chế và khử vi khuẩn có hại, lên men gây thối trong đệm chuồng do tác
dụng cạnh tranh của vi sinh vật có lợi.
Trong thành phần của tổ hợp vi sinh vật được đưa vào xử lý độn chuồng có
những chủng có thể sử dụng các khí độc (chủng Thiobacillus có thể sử dụng H2S)
làm nguồn dinh dưỡng cho sinh trưởng và phát triển của mình. Do đó mà góp phần
làm giảm nhanh khí độc trong chuồng chăn nuôi. (Đỗ Thị Thu Hường, 2011)

18