Tìm hiểu về vi khuẩn nitrat hoá, phương pháp tăng sinh, phân lập và xác định hoạt tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TÌM HIỂU VỀ VI KHUẨN NITRAT HOÁ, PHƯƠNG
PHÁP TĂNG SINH, PHÂN LẬP VÀ XÁC ĐỊNH HOẠT
TÍNH CỦA VI KHUẨN

Ngành:

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Giảng viên hướng dẫn : ThS: Huỳnh Văn Thành
Sinh viên thực hiện
MSSV: 1191111033

: Hồ Thị Hạnh Nguyên
Lớp: 11hsh02

TP. Hồ Chí Minh, 2013


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

LỜI MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Các chế phẩm vi sinh vật được sử dụng sẽ loại bỏ hàm lượng các chất C, N,

P…dư thừa trong nước theo các quá trình khác nhau như: tạo sinh khối tế bào vi
sinh vật, oxy hoá các chất thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O, chuyển hoá
Nitơ dạng hữu cơ và vô cơ thành dạng khí Nitơ thoát ra ngoài môi trường, tích tụ P
trong cơ thể tế bào…Quá trình loại bỏ Nitơ dư thừa trong nước hồ diễn ra chủ yếu
bởi các quá trình amon hoá, nitrat hoá, phản nitrat hoá. Trong đó, nitrat hoá là quá
trình hiếu khí, đầu tiên NH4+ oxy hoá thành nitrit NO2-, sau đó nitrit NO2- sẽ
chuyển hoá thành nitrat NO3-, các biến đổi này được thực hiện bởi 2 vi khuẩn
Nitrosomonas và Nitrobacter. Tiếp đó nitrit, nitrat chuyển thành Nitơ phân tử phát
tán vào trong không khí nhờ tác dụng của những vi khuẩn phản Nitrat hoá.
Ngày nay, việc ứng dụng các chế phẩm vi sinh vật để xử lý nước các hồ bị ô
nhiễm được sử dụng ngày một phổ biến. Khác với phương pháp vật lý, hoá lý…
việc bổ sung các chế phẩm vi sinh vào trong hồ giúp tăng cường khả năng phục hồi
và thúc đẩy quá trình tự làm sạch trong hệ sinh thái của hồ. Do vậy, đây là phương
pháp có tính ổn định cao và là một hướng đi rất thân thiện với môi trường.
Ngành công nghiệp chế biến thủy sản ở nước ta đã phát triển không ngừng
trong những năm gần đây và đang là ngành mũi nhọn trong việc thúc đẩy phát triển
nền kinh tế của nước nhà, mang lại nhiều lợi nhuận kinh tế cho đất nước, tạo ra
nhiều công ăn việc làm cho người dân … Tuy nhiên, bên cạnh những mặt tích cực
ấy, thì còn rất nhiều công ty, nhà máy xí nghiệp chế biến thủy hải sản ở nước ta
chưa có đầu tư và vận hành hệ thống xử lý nước thải; nước thải chế biến thủy sản
được thải với lượng lớn ra ngoài môi trường, gây ô nhiễm môi trường nghiêm
trọng, đặc biệt là môi trường nước. Chính vì vậy để khắc phục tình trạng ô nhiễm
này đã có nhiều biện pháp xử lý khác nhau nhằm hạn chế và giảm bớt hàm lượng
chất thải hữu cơ có chứa nitơ trong hệ thống xử lý nước thải trước khi nước được
thải ra ngoài. Và phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là xử lý bằng phương
pháp sinh học để xử lý nước thải chế biến thủy sản, với việc bổ sung vi sinh vật
1 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

được phân lập nuôi cấy từ bên ngoài vào hệ thống xử lý nước thải nhằm tăng
cường hiệu quả xử lý trước khi nước được thải ra ngoài. Dựa vào điểm này, nên em
đã quyết định chọn đề tài “Tìm hiểu về vi khuẩn nitrat hoá: Nitrosomonas và
Nitrobacter, phương pháp tăng sinh, phân lập, xác định hoạt tính và ứng dụng
của chúng trong việc xử lý nước thải” với mục đích là biết rõ hơn về vi khuẩn
nitrat hoá, các quá trình tăng sinh, phân lập các chủng vi khuẩn nitrate hóa, khả
năng xử lý nitơ từ các nguồn nước thải.
2. Tình hình nghiên cứu:
2.1 Trên thế giới:
Sự phân lập vi khuẩn nitrate hóa trong môi trường nuôi cấy thuần khiết đã
được thực hiện thành công đầu tiên bởi Winogradsky (1890). Sự thành công này
của ông đã được biết đến vài năm trước khi quá trình nitrate hóa được tìm ra là do
những sinh vật sống thực hiện (Schloesing & Muntz, 1877) và sự cố gắng của
Frankland cùng các cộng sự (1890) để phân lập những sinh vật ấy bằng những
phương pháp vi khuẩn học thường dùng đã gặp thất bại.
Năm 1950, bằng phương pháp cải tiến từ phương pháp của Winogradsky,
Jane Meiklejohn đã thành công trong việc phân lập chủng Nitrosomonas europaea
từ sự nuôi cấy thuần khiết. Và cũng trong nghiên cứu này, bà cũng đã tìm ra được
môi trường thích hợp (có bổ sung thành phần vi lượng cần thiết) để duy trì hoạt
tính của các chủng vi khuẩn nitrate hóa (qua nhiều lần cấy chuyển môi trường để
tăng sinh mà không bị mất hoạt tính như ban đầu bà đã vấp phải khi mới bắt đầu
nghiên cứu). Năm 1960, Watson và cộng sự đã mở ra một kỉ nguyên mới trong
việc phân lập và nuôi cấy loại vi khuẩn này, họ đã phát hiện ra và đặt tên cho hơn
16 chủng vi khuẩn oxi hóa NH3 khác.

Năm 1968, S.Soriano và N.Walker đã thành công trong việc phân lập và tinh
sạch được Nitrosomonas spp.và Nitrosocystis spp. bằng việc sử dụng môi trường
agar tinh chế và một phương pháp thu nhận những tập đoàn với những pipet mao
quản thủy tinh được hoạt động bởi máy vi thao tác đơn trước đây đã được mô tả
bởi Soriano (1935).
2 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

2.2 Tại Việt Nam:
Trần Liên Hà, Phạm Tuấn Anh, Nguyễn Thị Thanh (2007) đã phân lập được
4 chủng vi khuẩn nitrate hóa ứng dụng vào xử lý nước hồ bị ô nhiễm.
Hoàng Phương Hòa, Trần Văn Nhị, Phạm Việt Cường, Nguyễn Thị Kim Cúc
(2008) đã phân lập được 6 chủng vi khuẩn nitrate hóa từ nước lợ nuôi tôm và ứng
dụng xử lý nitơ trong ao nước nuôi tôm.
3. Mục đích nghiên cứu:
Tìm hiểu về quá trình nitrat hoá và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này.
Qui trình tăng sinh, phân lập, các cách xác định hoạt tính của vi khuẩn
Nitrosomonas spp. và Nitrobacter spp.
Biết được các phương pháp định lượng nitrite và amoni trong các mẫu nước thải.
Tìm hiểu về ứng dụng của vi khuẩn nitrat hoá trong nghành công nghiệp hiện nay.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Tìm hiểu về qui trình tăng sinh, phân lập, xác định hoạt tính của vi khuẩn
Nitrosomonas spp. và Nitrobacterspp. có nguồn gốc từ các mẫu nước thải.

Tìm hiểu về ứng dụng của vi khuẩn nitrat hoá trong nghành công nghiệp hiện nay

3 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN TÀI LIỆU

4 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

1.1 Những ảnh hưởng của những chất thải có bản chất nitơ đến môi trường
sống và nước thải:
Sự hiện diện của những chất thải có bản chất nitơ và những chất thải có chứa
nitơ trong nước thải cuối cùng của một hệ thống nước thải nhà máy hay xí nghiệp
được thải ra, có thể tác động bất lợi và gây ô nhiễm đến chất lượng của nguồn nước

tiếp nhận (các nguồn nước mặt như: sông, suối, ao, hồ…). Nguồn gốc của những
chất thải có bản chất nitơ gây ô nhiễm nguồn nước nhận chính là những ion NH4+,
NO2- và NO3-. Những tác động gây ô nhiễm quan trọng có liên quan tới sự hiện
diện của những chất thải có bản chất nitơ ấy bao gồm: sự cạn kiệt oxi hòa tan
(DO), độc tính (Toxicity), sự thiếu oxi trong nước (Eutrophications) và sự làm mất
khả năng vận hành oxi trong máu (Methemoglobinemia).
Để giảm bớt những ảnh hưởng bất lợi của những chất thải có bản chất nitơ
cho nguồn nước tiếp nhận, một hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính)
phải đảm bảo yêu cầu xử lý và giảm lượng chất thải có bản chất nitơ xuống dưới
hoặc bằng mức cho phép của tiêu chuẩn xả thải trong nước thải đầu ra của hệ thống
xử lý nước thải ấy. Hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) phải đảm
bảo quá trình oxi hóa nitơ (nitrify) và quá trình khử nitơ (denitrify) những chất thải
có bản chất nitơ xảy ra hoàn tất trong cả quá trình hoạt động của hệ thống. Yêu cầu
của quá trình nitrate hóa (nitrification) thường được đưa ra như giới hạn thải ra
NH3 và yêu cầu của quá trình phản nitrate (denitrification) thường được đưa ra như
giới hạn Tổng nitơ hay Tổng nitơ Kjeldahl (TKN).
1.1.1 Sự cạn kiệt oxi hòa tan (DO):
Việc thải ra những chất thải có bản chất nitơ vào nguồn nước nhận là kết quả
của sự cạn kiệt nguồn oxi hòa tan trong nguồn nước nhận ấy. Sự cạn kiệt xảy ra
thông qua sự tiêu thụ oxi hòa tan bởi hoạt động của vi khuẩn.
Đầu tiên, NH4+ được oxi hóa thành NO2- và NO2- được oxi hóa thành NO3bên trong nguồn nước tiếp nhận. Quá trình oxi hóa mỗi ion xảy ra bằng oxi hòa tan
được di chuyển từ nguồn nước tiếp nhận vào vi khuẩn và gia tăng thêm NH4+ và
NO2-. Tiếp theo, NH4+, NO2- và NO3- đáp ứng như là nguồn nitơ dinh dưỡng cho sự
5 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH

 
 

tăng trưởng của những thực vật sống ở nước, chủ yếu là những loài tảo. Khi những
thực vật ấy chết đi, oxi hòa tan sẽ được di chuyển từ nguồn nước tiếp nhận vào vi
khuẩn để phân hủy những thực vật đã chết ấy.

+

+ O2

-

+ O2

NO2

NH4

NO3-

1.1.2 Độc tính (Toxicity):
Ba ion có bản chất nitơ trên (NH4+, NO2- & NO3-) có thể là độc chất cho sự
sống của những loài thủy sinh vật, đặc biệt nhất là cá. Những ion NH4+ và NO2- là
vô cùng độc. Và NO2- là độc nhất trong 3 loại ion có bản chất nitơ.
Mặc dù NH4+ là nguồn dinh dưỡng nitơ ưa thích nhất cho phần lớn sinh vật
sống, NH4+ được biến đổi thành NH3 với sự tăng lên của pH và gây độc cho sự
sống của thủy sinh vật.
1.1.3 Sự thiếu oxi trong nước (Eutrophication):
Trong khi phosphate (PO42-) là nguồn gốc chính yếu của sự thiếu oxi trong

nước thì những chất thải có bản chất nitơ cũng góp phần quan trọng cho vấn đề ô
nhiễm nước này.
Sự thiếu oxi trong nước nói đến sự thải ra những chất dinh dưỡng của thực
vật (chủ yếu là: phốt pho và nitơ) vào nước sạch (như: hồ và ao). Sự hiện diện
những chất dinh dưỡng này kích thích sự tăng trưởng nhanh chóng hay sự ra hoa
của thực vật thủy sinh, bao gồm cả tảo. Khi những thực vật thủy sinh này già và
chết đi, xác của chúng sẽ làm cho nguồn nước thiếu oxi do quá trình hoạt động
phân hủy hiếu khí của những vi sinh vật diễn ra. Sự thiếu oxi trong nước dẫn đến
sự lão hóa nhanh chóng của nguồn nước ngọt khi chúng mất khá nhiều oxi cho sự
phân hủy này. Và sự tích lũy xác những thực vật thủy sinh ngày càng nhiều dẫn
đến khả năng phân hủy của nguồn nước bị giảm đi đến mức chúng không thể phân
hủy được nữa, không tự làm sạch được nữa thì dẫn đến nguồn nước ấy bị ô nhiễm.

6 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

1.1.4 Sự làm mất khả năng vận hành oxi trong máu (Methemoglobinemia):
Từ “Methemoglobinemia” hay “Hội chứng da xanh ở trẻ em” nói đến một
căn bệnh của những đứa trẻ còn nhỏ (dưới 6 tháng tuổi) ăn uống phải nước ngầm
đã nhiễm bẩn NO3-. Khi một đứa bé ăn uống những thứ được làm ra từ nước ngầm
đã bị nhiễm bẩn NO3- thì những ion này dễ dàng được biến đổi thành NO2- trong
đường tiêu hóa của đứa bé. Ion NO2- này xâm nhập vào hệ tuần hoàn của đứa trẻ và
nhanh chóng liên kết với Fe trong nhân của Hemoglobin hay những tế bào hồng

cầu.
Sự hiện diện của NO2- trong nhân ngăn cản Hemoglobin thu được oxi khi nó
đi qua phổi của đứa trẻ. Sự thiếu oxi trong cơ thể của đứa trẻ dẫn đến da của đứa
trẻ trở nên xanh xao, vì thế mới có thuật ngữ “Blue baby syndrome”. Nếu thiếu oxi
trong não của đứa trẻ, chứng liệt hay chết có thể xuất hiện.
Methemoglobinemia thường xuất hiện ở những vùng nông thôn, nơi mà nước
dùng để uống được thu từ nước ngầm. Methemoglobinemia không có dấu hiệu để
cảnh báo và mặc dù nó có thể xuất hiện với những người trưởng thành, nó có thể
độc hơn nhiều với những đứa trẻ sơ sinh bởi vì pH trong cơ thể chúng thấp hơn và
trọng lượng cơ thể chúng thấp hơn khi so sánh với những người trưởng thành. Và
khi ion NO3- ở nồng độ cao cũng có thể làm tăng nguy cơ gây ung thư dạ dày ở
mọi lứa tuổi.
1.2 Chu trình nitơ trong nước thải (The Wastewater Nitrogen Cycle):

7 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

Hình 1.1: Chu trình nitơ trong nước thải.

Có nhiều hợp chất có bản chất nitơ tồn tại trong môi trường sống và trong hệ
thống xử lý nước thải. Phần lớn nitơ tìm thấy trong môi trường sống tồn tại dưới
dạng nitơ phân tử (N2) trong bầu khí quyển chúng ta (chúng chiếm tới 76% trong
bầu khí quyển so với các khí khác).

Mặc dù sự cấu thành không nhiều của nitơ trong sinh khối so với carbon hay
oxi nhưng nitơ là một yếu tố thiết yếu của tất cả sự sống sinh vật. Nó được kết hợp
chặt chẽ trong nguyên liệu tế bào và được dùng cho sự tăng trưởng, tạo ra enzyme
và thông tin về di truyền học. Tuy nhiên, nitơ phân tử được cấu tạo từ 2 nguyên tử
nitơ nối với nhau bằng 3 dây nối N N, nó rất khó để hầu hết sinh vật có thể bẻ
gãy. May thay, nitơ phân tử được tạo ra sẵn có cho sự sống sinh vật khi mà liên kết
3 bị bẻ gãy bởi một nhóm vi khuẩn duy nhất và được cố định lại hay biến đổi thành
NH4+.

8 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

Những vi khuẩn biến đổi nitơ phân tử thành NH4+ là những vi khuẩn cố định

nitơ. Những vi khuẩn này có thể sống tự do trong đất xung quanh rễ của thực vật
hay có thể tăng trưởng cộng sinh trong rễ của những cây họ đậu.
Sự cố định nitơ tức là sự chuyển đổi nitơ phân tử thành NH4+, được hoàn
thành bởi enzyme nitrogenase chỉ được tìm thấy trong những vi khuẩn cố định
nitơ. Trước khi sự sử dụng phân bón nitơ lan rộng, thực vật tăng trưởng nốt sần
hay những cây họ đậu cung cấp nitơ cho đất. Ví dụ những cây họ đậu bao gồm: Cỏ
linh lăng, Cỏ ba lá và những cây Đậu nành.
Một vài loài tảo cũng có thể sử dụng nitơ phân tử để sản xuất ra amino acid
và protein. Tảo lấy nitơ phân tử từ không khí và đồng hóa chúng thành những phân

tử hữu cơ. Cuối cùng, những phân tử hữu cơ này với nitơ liên kết thành cấu trúc
của chúng và được tiêu thụ trong suốt chiều dài của chuỗi thức ăn; như là tảo được
tiêu thụ bởi những dạng sống cao hơn.
Sự di chuyển của nitơ và sự thay đổi chính nó trong các trạng thái oxi hóa từ
không khí sang sinh vật sống đến hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt
tính) và sự trở lại của nó vào không khí là chu trình nitơ trong nước thải. Chu trình
này liên kết với những hợp chất có bản chất nitơ then chốt liên tiếp như: nitơ phân
tử (N2), amino acid, protein, urea, NH4+, NH3, NO2- và NO3-. Trong đó, amino acid
và protein là những dạng hữu cơ của nitơ; còn nitơ phân tử (N2), NH4+, NH3, NO2và NO3- là những dạng vô cơ của nitơ.
Sự sản sinh ra NO2- và NO3- trong hệ thống cống rãnh là hiếm thấy. Những
điều kiện trong hệ thống cống rãnh là không phù hợp cho sự tạo ra hay quá trình
nitrate hóa của những ion này. Những điều kiện bất lợi trong hệ thống cống rãnh
ngăn cản quá trình nitrate hóa bao gồm: sự thiếu oxi thích hợp, quần thể vi khuẩn
nitrate hóa nhỏ và thời gian nước được giữ lại ngắn. Tuy nhiên, lượng rất lớn NO2và NO3- có thể được tìm thấy trong hệ thống cống rãnh nếu chúng được thải ra từ
nguồn nước thải công nghiệp có những ion này, như là nước thải nhà máy thép.
Những amino acid và protein trong mô thực vật, trong rễ, trong hạt và từ thịt
vật nuôi được thải trực tiếp vào hệ thống cống rãnh (rác vứt bỏ đi, nước thải chế
9 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

biến thực phẩm) và gián tiếp vào hệ thống cống rãnh (chất thải có bản chất là
phân). Nhiều vi khuẩn trong hệ thống cống rãnh khử nhóm amino (-NH2) ra khỏi
các amino acid và protein. Sự khử nhóm NH2 được hoàn thành với enzyme

deaminase và đưa đến kết quả là tạo ra NH4+. Sự tạo thành NH4+ còn được biết đến
như là quá trình amôn hóa. Sự khử nhóm NH2 của amino acid phenylalanine được
cho thấy:
Phenylalanine–Proteus NH4+ Phenylpyruvic acid
Urea: là một hợp chất nitơ hữu cơ, chúng được tìm thấy trong nước tiểu,
phân bón và những chất thải từ chăn nuôi. Khi mà được thủy phân bởi enzyme
urease của vi khuẩn, NH4+ được giải phóng. Enzyme urease được tìm thấy trong
nhiều sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ liên kết với phân bao gồm: Citrobacter.
Sự thủy phân urea thành NH3 và CO2 bởi hoạt động của vi khuẩn là rất nhanh
chóng. Ở pH của hệ thống cống rãnh NH3 nhanh chóng được biến đổi thành NH4+.
NH2COHN2 H2O –Citrobacter 2NH3 CO2
Những amino acid và những protein không được phân hủy trong hệ thống
cống rãnh có thể được phân hủy trong hệ thống xử lý nước thải (bể aerotank). Sự
phân hủy những amino acid và protein trong bể aerotank cũng đưa đến kết quả sản
sinh ra NH4+.
Những ion NH4+ trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) có
vài nhiệm vụ. Chúng có thể được dùng như nguồn dinh dưỡng nitơ bởi những sinh
vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ và vi khuẩn nitrate hóa. Chúng có thể được giải
phóng ra ngoài không khí như NH3 ở pH cao và dưới những điều kiện hoạt động
thích hợp, Nitrosomonas có thể oxi hóa chúng thành NO2-. Nếu những ion NH4+
không được sử dụng như nguồn dinh dưỡng, hóa thành khí hay oxi hóa, chúng
được chảy vào trong hệ thống nhánh của bể aerotank.
Dưới nhiệt độ lạnh hay điều kiện phương pháp hệ thống có giới hạn, ion NO2có thể tích lũy lại trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính). NO2cũng có một vài nhiệm vụ trong hệ thống bùn hoạt tính. NO2- còn có thể được oxi
10 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH

 
 

hóa sinh học bởi Nitrobacter tạo thành NO3- dưới những điều kiện hoạt động thuận
lợi. Nếu NH4+ và NO2- không có sẵn trong bể aerotank, NO3- được dùng như là
nguồn dinh dưỡng nitơ bởi những sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ. Nếu những
ion NO2- không bị oxi hóa hay được dùng như nguồn dinh dưỡng nitơ, chúng được
chảy vào hệ thống nhánh của bể aerotank. Trong bể lắng 2, NO2- có thể được khử
thành các khí N2O và N2.
NO3- trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) có một vài
nhiệm vụ. Trong sự vắng mặt của NH4+ trong bể aerotank, NO3- có thể được dùng
như nguồn dinh dưỡng nitơ. Nếu NO3- không được dùng như một nguồn dinh
dưỡng nitơ thì chúng được chảy vào hệ thống nhánh của bể aerotank. Trong bể
lắng 2, NO3- có thể được khử nitrate.
Những ion NO3- là quan trọng chủ yếu trong chu trình nitơ nước thải. Chúng
là sản phẩm của quá trình nitrate hóa, cơ chất của quá trình phản nitrate hóa và là
nguồn dinh dưỡng nitơ khi mà NH4+ không có sẵn. NO3- được sử dụng như nguồn
dinh dưỡng nitơ thông qua một hệ thống sinh học được biết như sự đồng hóa
nitrate. Những ion NO3- rất dồi dào, nguồn nitơ vô cơ trong nguồn nước.
Sự phản nitrate có thể xảy ra trong lớp bùn của bể lắng 2 (trong Hệ thống xử
lý nước thải) khi mà điều kiện kỵ khí xảy ra trong lớp bùn. Ở đây vi khuẩn kỵ khí
tùy nghi sử dụng NO2- và NO3- để phân hủy cBOD hòa tan (carbonaceous BOD).
Sự phân hủy này được liên kết với sự giải phóng phân tử nitơ.
Những ion NH4+ có thể được loại bỏ bởi hoạt động trộn hay sự hóa khí vào
không khí như NH3. Tuy nhiên lượng NH3 mất đi qua sự hóa khí là rất nhỏ, tức là
ít hơn 10%.
Khi mà những chất thải nitơ hữu cơ không còn có sẵn nữa để giải phóng ra
NH4+, lượng NH4+ giảm. Sự giảm NH4+ xảy ra vì chúng được dùng như là nguồn
dinh dưỡng nitơ và bị oxi hóa thành NO2- và NO3-. Nếu quá trình nitrate hóa bắt
đầu một cách đúng đắn, không có sự tích lũy của NO2- xảy ra. Một vài ion NO3- có

thể được loại bỏ đi như là nguồn dinh dưỡng nitơ khi mà NH4+ bị cạn kiệt. Nếu quá
trình phản nitrate xảy ra thì lượng NO3- sẽ bị giảm rất lớn, có lẽ được loại trừ.
11 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

1.3 Quá trình nitrate hoá
1.3.1 Giới thiệu về quá trình nitrate hóa trong môi trường (Introduction to
Nitrification):
Quá trình nitrate hóa sinh học là sự biến đổi hay oxi hóa NH4+ thành NO2- và
sau đó thành NO3-. Trong thời gian oxi hóa NH4+ và NO2-, oxi được cộng thêm vào
những ion này bởi một nhóm sinh vật duy nhất, những vi khuẩn nitrate hóa. Quá
trình nitrate hóa xảy ra trong tự nhiên và trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống
bùn hoạt tính). Quá trình nitrate hóa trong đất là đặc biệt quan trọng trong tự nhiên,
bởi vì nitơ được hấp thu bởi thực vật như là nguồn dinh dưỡng dưới dạng NO3-.
Quá trình nitrate hóa trong nước có liên quan đến xử lý nước thải, nhất là đảm bảo
yêu cầu xả thải theo đúng quy chuẩn cho phép.
NH4+ và NH3 là những dạng của hợp chất nitơ, chúng được oxi hóa trong suốt
quá trình nitrate hóa. Số lượng của NH4+ và NH3 trong bể aerotank của hệ thống xử
lý nước thải được quyết định bởi pH và nhiệt độ trong hệ thống.
Sự oxi hóa NH4+ và NO2- được hoàn thành thông qua sự thêm vào oxi hòa tan
bên trong những tế bào vi khuẩn. Bởi vì quá trình nitrate hóa hay sự thêm vào oxi
của những phản ứng hóa sinh xảy ra bên trong những tế bào sinh học, quá trình
nitrate hóa xảy ra thông qua những phản ứng hóa sinh.

Những ion NH4+ được tạo ra trong nước thải từ sự thủy phân urea và sự phân
hủy những hợp chất nitơ hữu cơ. Sự thủy phân và sự phân hủy những hợp chất nitơ
hữu cơ đưa đến kết quả là sự giải phóng ra những nhóm amino (-NH2) và sự tạo
thành NH4+.
Mặc dù có nhiều sinh vật có khả năng oxi hóa NH4+ và NO2-, nhưng những
sinh vật ban đầu chịu trách nhiệu chính trước nhất cho quá trình nitrate hóa trong
hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) đó là 2 giống vi khuẩn nitrate
hóa, Nitrosomonas và Nitrobacter. Những giống này sở hữu những enzyme và cấu
trúc tế bào đặc biệt cho phép chúng hoàn thành quá trình nitrate hóa quan trọng
này.

12 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

Tốc độ của quá trình nitrate hóa đạt được bởi những vi khuẩn nitrate hóa
thường là 1.000 – 10.000 lần lớn hơn tốc độ của quá trình nitrate hóa bằng những
sinh vật khác. Bên cạnh những vi khuẩn nitrate hóa, có 2 Protozoa chúng hiện diện
với số lượng rất lớn trong lúc quá trình nitrate hóa diễn ra nhanh nhất. Những
Protozoa này là: Epistylis và Vorticella.
Mặc dù hệ thống bùn hoạt tính được dùng cho quá trình nitrate hóa, nhưng hệ
thống này không phải là lý tưởng cho quá trình nitrate hóa. Vì kích thước quần thể
lớn và sự tăng trưởng nhanh chóng của các sinh vật khác trong bể aerotank so sánh
với kích thước quần thể nhỏ và sự tăng trưởng chậm của những vi khuẩn nitrate

hóa, kích thước quần thể của những vi khuẩn nitrate hóa được làm giảm đi từ từ,
tạo ra khó khăn để đạt được và duy trì quá trình nitrate hóa mong muốn. Khoảng
chừng 90% đến 97% vi khuẩn trong hệ thống bùn hoạt tính là những sinh vật dị
dưỡng hóa năng hữu cơ, còn khoảng chừng 3% đến 10% là vi khuẩn nitrate hóa.
1.3.2

Những vi khuẩn oxi hóa nitơ hay vi khuẩn nitrate hóa (Nitrifying

Bacteria)
Vi khuẩn nitrate hóa sống rất đa dạng trong môi trường sống của chúng ta bao
gồm: nước ngọt, nước có thể uống được, nước thải, nước biển, nước lợ và trong
đất.
Mặc dù một vài giống vi khuẩn nitrate hóa có khả năng sử dụng một vài hợp
chất hữu cơ để thu carbon, giống chủ yếu của những vi khuẩn nitrate hóa trong hệ
thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính), Nitrosomonas và Nitrobacter, sử
dụng CO2 hay carbon vô cơ như là nguồn carbon cho sự tổng hợp nguyên liệu tế
bào. Mỗi phân tử CO2 đồng hóa thành nguyên liệu tế bào bởi những vi khuẩn
nitrate hóa, khoảng chừng 30 phân tử của NH4+ hay 100 phân tử của NO2- có thể
được oxi hóa.
Vì lượng NH4+ và NO2- rất lớn cần để đồng hóa CO2, vi khuẩn nitrate hóa có
tốc độ sinh sản rất chậm. Thậm chí dưới những điều kiện tốt nhất thì tốc độ sinh
sản của vi khuẩn nitrate hóa là rất nhỏ.

13 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH

 
 

Vi khuẩn nitrate hóa thu được năng lượng bởi quá trình oxi hóa những cơ chất
vô cơ, cụ thể là NH4+ và NO2-. Ion NO2- là sản phẩm của sự oxi hóa NH4+ bởi
Nitrosomonas cung cấp như là cơ chất cho Nitrobacter. Nếu NO2- không được thải
ra khỏi hệ thống bùn hoạt tính thì NO2- có thể được sản sinh ra trong bể aerotank để
mà Nitrobacter dùng làm cơ chất năng lượng.
Có 2 phản ứng sinh năng lượng xảy ra trong suốt quá trình nitrate hóa. Nhiều năng
lượng được lấy từ dạng phản ứng đầu tiên, tức là, sự oxi hóa NH4+, hơn là phản
ứng thứ 2, tức là sự oxi hóa NO2-.
NH4+ 1.5O2–Nitrosomonas NO2- 2H+ H2O

Năng lượng.

NO2- 0.5O2–Nitrobacter NO3- Năng lượng.
Phản ứng sinh năng lượng xảy ra trong những tế bào vi khuẩn và cả 2 phản
ứng này đều sử dụng oxi phân tử tự do. Từ đó sự tích lũy NO2- không xuất hiện.
Toàn bộ phản ứng nitrate hóa được điều khiển bằng sự oxi hóa NH4+ sang NO3-.
Toàn bộ phản ứng nitrate hóa là một sự kết hợp của 2 phản ứng sinh năng lượng
trên:
NH4+ 2O2–Vi khuẩn Nitrate hóa NO3- 2H+ H2O.
Mặc dù NH4+ được dùng như một nguồn năng lượng bởi những vi khuẩn
nitrate hóa, không phải tất cả NH4+ có trong tế bào vi khuẩn đều được nitrate hóa.
Một vài ion NH4+ được dùng như là nguồn dinh dưỡng nitơ và được đồng hóa
thành nguyên liệu tế bào mới (C5H7O2N). Sự tăng trưởng của những tế bào mới
trong hệ thống bùn hoạt tính được tạo thành do sự tăng lên của những chất rắn lơ
lửng huyền phù trộn lẫn trong nước (MLVSS) (Mixed liquor volatile suspended
solids).
4CO2 HCO3- NH4+ 4H2O  C5H7O2N 5O2 3H2O.

Có vài giống vi khuẩn nitrate hóa. Các giống có thể được tập hợp lại thành
nhóm với nhau dựa vào oxi hóa NH4+ hay NO2-

14 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

Bảng 1.1. Các giống vi khuẩn nitrat hoá tập hợp lại thành nhóm dựa vào sự oxi
hoá NH4+ hay NO2Cơ chất năng lượng Sản phẩm oxi hóa Các giống vi khuẩn
(Energy Substrate)

(Oxidized Product)

nitrate hóa (Genera of
Nitrifying Bacteria)

NH4+

NO2-

Nitrosococcus
Nitrosocystis
Nitrosolobus
Nitrosomonas

Nitrosospira

NO2-

NO3-

Nitrobacter
Nitrococcus
Nitrospira

Những vi khuẩn nitrate hóa không có khả năng gây bệnh, chúng không có
trong đường ruột của con người. Vì vậy những vi khuẩn nitrate hóa không đi vào
hệ thống cống rãnh và hệ thống xử lý nước thải với lượng lớn thông qua nước thải
gia đình. Vi khuẩn nitrate hóa xuất xứ từ đất và nước.
Những vi khuẩn nitrate hóa Nitrosomonas và Nitrobacter có ở mức độ lớn,
nếu không hoàn toàn, là nguyên nhân của quá trình nitrate hóa trong đất. Bởi vì
những vi khuẩn nitrate hóa bị tiêu diệt bởi ánh sáng tử ngoại, chúng không được
tìm thấy lượng lớn trên bề mặt của đất. Tuy nhiên, chúng được tìm thấy với số
lượng lớn trực tiếp bên dưới bề mặt của đất nơi ánh sáng cực tím không thể lọt vào
được.
Trong hệ thống xử lý nước thải, 2 loài vi khuẩn nitrate hóa chịu trách nhiệm
chính cho sự oxi hóa NH4+ và NO2- là Nitrosomonas europeae và Nitrobacter

15 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH

 
 

winogradsky. Những giống vi khuẩn nitrate hóa khác cũng quan trọng không kém
trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính).
Nitrosomonas và Nitrobacter là những vi khuẩn gram âm và hiếu khí bắt
buộc, chúng yêu cầu oxi phân tử tự do hay oxi hòa tan nhằm để oxi hóa cơ chất.
Mặc dù những vi khuẩn nitrate hóa có thể sinh trưởng phát triển và sinh sản trong
sự hiện diện của phần lớn những hợp chất hữu cơ, một vài dạng hợp chất hữu cơ có
thể ức chế hoạt động của chúng, tức là, ức chế quá trình nitrate hóa. Những hợp
chất ức chế đó bao gồm: Cồn và Acid. Một vài hợp chất hữu cơ có chứa nhóm
amino (-NH2), như là Methylamine (CH2NH2), cũng ức chế hoạt động của vi khuẩn
nitrate hóa.
Với vài ngoại lệ, những vi khuẩn nitrate hóa là những sinh vật tự dưỡng bắt
buộc (nghiêm ngặt). Bởi vì chúng là những vi sinh vật tự dưỡng bắt buộc, vài dạng
hợp chất hữu cơ đơn giản còn lại trong bể aerotank có thể ức chế vi khuẩn nitrate
hóa, tức là, ức chế quá trình nitrate hóa. Vì vậy một quần thể sinh vật tự dưỡng hóa
năng hữu cơ lớn và đa dạng hiện diện trong bể aerotank để mà oxi hóa những hợp
chất hữu cơ có dạng đơn giản ấy.
Vi khuẩn nitrate hóa có thể tăng trưởng và sinh sản bằng những tế bào riêng
biệt hay khối tập hợp nhỏ dính chặt vào nhau trong chất nhờn. Trong hệ thống bùn
hoạt tính, những vi khuẩn nitrate hóa được tìm thấy hút bám trên bề mặt của những
hạt keo và lơ lửng trong bể.
Những vi khuẩn nitrate hóa sinh sản vô tính. Nitrosomonas: sinh sản bằng sự
tự phân đôi hay sự phân cắt hoàn toàn thành hai phần; trong khi đó, Nitrobacter:
sinh sản bằng cách nảy chồi.
Vì những vi khuẩn nitrate hóa thu được một lượng rất nhỏ năng lượng từ sự
oxi hóa NH4+ và NO2-, sự sinh sản hay thời gian thế hệ là chậm và quần thể nhỏ.
Kích thước quần thể vi khuẩn nitrate hóa trong hệ thống bùn hoạt tính là rất nhỏ
khi mà so sánh với kích thước quần thể của các sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ.

16 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

Sự khác nhau trong kích thước quần thể giữa vi khuẩn nitrate hóa và những vi
khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ là do 2 lý do. Thứ nhất, trong hầu hết hệ thống
bùn hoạt tính thành phố và công nghiệp, nồng độ của chất thải có bản chất carbon
vượt quá giới hạn nồng độ của những chất thải có bản chất nitơ. Vì vậy nhiều cơ
chất có giá trị để tăng trưởng nhiều vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ. Thứ hai,
những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ thu được nhiều năng lượng từ sự sinh
sản hơn những vi khuẩn nitrate hóa khi chúng oxi hóa những cơ chất tương ứng
của chúng. Vì vậy những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ có thể sinh sản nhanh
hơn nhiều những vi khuẩn nitrate hóa có thể sinh sản.
So sánh thời gian thế hệ của những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ với vi
khuẩn nitrate hóa thì vi khuẩn nitrate hóa dài hơn nhiều. Thời gian thế hệ của hầu
hết những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ trong hệ thống bùn hoạt tính là 15
đến 30 phút. Dưới những điều kiện thuận lợi,thời gian thế hệ của những vi khuẩn
nitrate hóa trong hệ thống bùn hoạt tính là 48 đến 72 giờ.
Trong quần thể vi khuẩn nitrate hóa cũng có một kích thước quần thể khác
biệt giữa Nitrosomonas và Nitrobacter. Kích thước quần thể Nitrosomonas là lớn
hơn Nitrobacter. Bởi vì Nitrosomonas thu được nhiều năng lượng từ sự oxi hóa
NH4+ hơn Nitrobacter thu được từ sự oxi hóa NO2-, Nitrosomonas có thời gian thế
hệ ngắn hơn và có thể tăng nhanh chóng về số lượng khi so sánh với Nitrobacter.

Một kích thước quần thể lớn của Nitrosomonas hơn Nitrobacter trong hệ thống bùn
hoạt tính đáp ứng cho khả năng oxi hóa NH4+ nhiều hơn khả năng oxi hóa NO2-.
Sự khác nhau trong thời gian thế hệ giữa Nitrosomonas và Nitrobacter ảnh
hưởng trực tiếp đến quá trình nitrate hóa. Sự khác nhau ấy là nguyên nhân gây nên
sự tích lũy NO2- trong suốt thời gian những điều kiện hoạt động không thuận lợi
trong hệ thống bao gồm: nhiệt độ lạnh, quá trình rửa trôi cơ học, mức oxi hòa tan
thấp, độc chất…
Mặc dù kích thước quần thể cơ bản của vi khuẩn nitrate hóa phụ thuộc vào
lượng cơ chất sẵn có (NH4+ và NO2-), sự tăng trưởng và sinh sản của quần thể bị
ảnh hưởng mạnh bởi vài yếu tố hoạt động bao gồm: oxi hòa tan, tính kiềm và pH,
17 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

nhiệt độ, chất ức chế, chất độc và phương thức hoạt động của cả hệ thống xử lý
nước thải.
1.4 Những sinh vật chỉ thị hay những chất chỉ thị cho quá trình Nitrate hóa
(Indicators of Nitrification):
Hệ thống bùn hoạt tính (của một hệ thống xử lý nước thải) oxi hóa nitơ nếu
NO2- và NO3- được sinh ra trong bể aerotank. Dù có nhiều cơ chế khác nhau của sự
mất đi và sinh ra NH4+ trong bể aerotank, do đó, một mình sự giảm nồng độ của
NH4+ trong bể aerotank không biểu lộ quá trình nitrate hóa. Quá trình nitrate hóa
được chứng minh bằng sự sản sinh ra NO2- hay NO3-. Tuy nhiên, nếu sự kiểm tra
NO2- hay NO3- trong hệ thống không được thực hiện, thì quá trình nitrate hóa có

thể được nghi ngờ bởi sự hiện diện của sinh vật chỉ thị sinh học, chất chỉ thị hóa
học và những sinh vật báo hiệu tự nhiên khác.
Những sinh vật chỉ thị sinh học của quá trình nitrate hóa bao gồm: sự tăng
trưởng của Tảo và Bèo tấm trong bể lắng 2, sự tăng lên có ý nghĩa của nhu cầu oxi
pha trộn trong nước và sự giảm đi có ý nghĩa của mức oxi hòa tan trong hệ thống.
Tảo và Bèo tấm thu được chất dinh dưỡng nitơ từ NO3-. Vì vậy sự hiện diện của
chúng trong bể lắng 2 là một sự chỉ thị của sự sản sinh ra NO3- hay quá trình nitrate
hóa trong bể aerotank.
Bèo tấm: là những thực vật có hoa bé nhỏ nhất và đơn giản nhất. Bèo tấm sinh
sôi nảy nở nhanh chóng và nổi trên mặt nước. Có 3 giống Bèo tấm chúng được tìm
thấy trong hệ thống bùn hoạt tính của hệ thống xử lý nước thải. Những giống này
là: Lemna, Spirodella, và Wolffia.
Khi mà quá trình nitrate hóa xảy ra trong bể aerotank, lượng lớn oxi hòa tan
được tiêu thụ bởi những vi khuẩn nitrate hóa do chúng oxi hóa NH4+ và NO2-. Vì
vậy, khi quá trình nitrate hóa xảy ra, sự đòi hỏi có ý nghĩa của sinh khối về oxi hòa
tan xuất hiện và mức độ oxi hòa tan trong bể aerotank giảm đi.
Những chất chỉ thị hóa học của quá trình nitrate hóa bao gồm sự tăng lên nhu
cầu Cl2 để khử trùng trong phụ lưu bể lắng 2. Nếu quá trình nitrate hóa không hoàn

18 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

tất xảy ra, NO2- tích lũy và NO2- phản ứng nhanh chóng với Cl2, đưa đến kết quả là

sự tiêu diệt coliform kém đi trong phụ lưu của bể lắng 2. Sự sản sinh ra NO2- trong
bể aerotank đưa đến kết quả là sự phá hủy tính kiềm. Sự phản nitrate hóa trong bể
lắng 2 (do kết quả nitrate hóa trong bể aerotank) trả lại tính kiềm cho nước thải. Sự
trả lại tính kiềm đưa đến sự tăng tính kiềm hay pH.
Nếu vài sinh vật chỉ thị sinh học, hóa học hay tự nhiên của quá trình nitrate
hóa xảy ra trong hệ thống bùn hoạt tính chúng không được yêu cầu nitrate hóa, khi
đó sự nitrate hóa sẽ bị nghi ngờ. Để xác định dạng nitrate hóa đang xảy ra, sự kiểm
tra nước trong hệ thống về nồng độ NH4+, NO2- và NO3- sẽ được thực hiện.
1.5 Cơ chế hoạt động của vi khuẩn Nitrat hoá
Các loại vi khuẩn hoá năng vô cơ (chemolithotrophic) thường là loại tự
dưỡng, đều sử dụng chu trình Calvin để cố định CO2 như nguồn carbon duy nhất.
Ở vi khuẩn nitrate hoá được xếp vào loại tự dưỡng sẽ sử dụng năng lượng thu được
từ quá trình oxi hoá ammonia hay nitrite để phục vụ cho việc khử CO2 thành
carbonhydrat. Khi một phân tử CO2 đi vào chu trình Calvin, nó cần đến 3 phân tử
ATP và 2 phân tử NADH. Điều khó khăn là năng lượng thu từ quá trình oxi hoá
các phân tử vô cơ (nói chung) của vi khuẩn nitrate lại nhỏ hơn rất nhiều so với việc
oxi hoá hoàn toàn glucose ở loại vi khuẩn thông thường. Tỉ lệ P/O trong quá trình
oxi hoá phosphoryl hoá ở vi khuẩn nitrate hoá thường bằng 1, chính vì tỉ lệ quá
thấp như vậy nên vi khuẩn nitrate hoá nói riêng và các loại vi khuẩn hoá năng vô
cơ khác nói chung cần oxi hoá một lượng lớn các hợp chất vô cơ để sinh trưởng và
sinh sản, điều này nói lên tác động của hệ vi khuẩn này đối với môi trường sống rất
sâu sắc.

19 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH

 
 

Bảng 1.2. Năng lượng thu được từ quá trình oxi hoá các hợp chất vô cơ so với
glucose (-686kcal/mol)
Phản ứng
H2 +1/2 O2

ΔG (kcal/mol)

H2O

-56,6

NO2- + 1/2  O2  NO3

=

NH4+ + ½ O2

NO2- + H2O + 2H

-17,4
-65,0
-118,5

o

S  + ½ O2 + H2O  H2SO4

S2O32- + 2O2 + H2O

2SO42- + 2H

-223,7

2Fe2+    + 2H+ + 1/2 O2  2Fe+ H2O

-11,2

Ở vi khuẩn nitrate hoá, năng lượng giải phóng từ quá trình oxy hoá ammonia
lẫn nitrite được sử dụng để tổng hợp nên ATP hoạt hoá các enzyme, cơ chất, là hợp
chất dự trữ năng lượng và NADH (nguồn cung cấp electron trong chuỗi vận
chuyển điện tử, cung cấp H+ để khử các hợp chất khác, là hợp chất chứa năng
lượng khử). Chính 2 hợp chất quan trọng này, mà vi khuẩn nitrate hoá sử dụng để
khử CO2 và các hợp chất khác phục vụ cho quá trình biến dưỡng của tế bào.
Quá trình tổng hợp ATP ở vi khuẩn nitrate hoá về nguyên tắc rất giống với hoạt
động tổng hợp ATP của ti thể ở các vi sinh vật có nhân thật. Con đường chính để
tạo ATP là thông qua các hoạt động oxi hoá ammonia và phân ly nước (ở vi khuẩn
nitrate hoá) và oxi hoá nitrite, H+ được tạo ra và đẩy vào periplasm (là khoảng
không gian giữa màng trong và màng ngoài của tế bào vi khuẩn), từ đó tạo nên
gradient H+ làm cho H+ chạy qua phức ATPase vào trong cytoplasm (nguyên sinh
chất) giúp tái tạo ADP thành ATP. Con đường phụ (diễn ra ở Nitrobacter sp., trong
khi ở Nitrosomonas sp. thì không hiện diện) để tạo ATP là thông qua hoạt động
của chất khử NADH và hoạt động của phức vận chuyển điện tử trên màng, giúp
tổng hợp ATP.

20 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 

 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

Quá trình tổng hợp NADH thì khó khăn hơn nhiều và hiện chưa được lý giải
hoàn toàn, vì nó liên quan đến quá trình vận chuyển electron theo chiều ngược lại
(reverse electron transport – RET). Lý do chính vì những phân tử như ammonia,
nitrite thì có thể khử cao hơn so với NAD+ nên vi khuẩn nitrate hoá không thể cung
cấp electron trực tiếp từ quá trình oxi hoá ammonia và nitrite để tổng hợp nên
NADH qua hệ enzyme NADH-oxidoreductase. Bởi vì electron chỉ có thể di chuyển
từ chất cho đến chất nhận. Để giải quyết khó khăn này, vi khuẩn nitrat hoá đã sử
dụng lực đẩy proton để đảo lại chiều di chuyển electron, qua các chất vận chuyển
điện tử, nhằm khử NAD+ về NADH.
Có thể thấy nếu so sánh với quá trình tạo nên NADH và ATP qua con đường
đường phân hay chu trình Krebs ở các vi sinh vật khác, thì quá trình tạo NADH và
ATP ở vi khuẩn nitrate hoá tiêu tốn nhiều năng lượng hơn và lượng sản phẩm tạo ra
ít hơn. Nhưng vì nguồn cơ chất ammonia, nitrite mà vi khuẩn nitrate hoá sử dụng lại
không bị cạnh tranh như các nguồn cơ chất khác (glucose, lipid, protein) nên vi
khuẩn nitrate hoá vẫn thích nghi được với con đường biến dưỡng bằng các hợp chất
này.
.

21 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

Hình 1.2: Hướng di chuyển electron dựa trên thể khử của các chất trong tế bào

1.6 Những yếu tố hay điều kiện môi trường ảnh hưởng đến vi khuẩn nitrate
hóa và quá trình nitrate hóa
1.6.1 Sự tích lũy NO2-:
Sự tích lũy NO2- một phần ức chế đến hoạt động của enzyme bên trong vi
khuẩn nitrate hóa. Sự ức chế này ngăn cản sự oxi hóa nhanh chóng NO2- thành
NO3-. Những yếu tố hoạt động chịu trách nhiệm chính cho sự ức chế này bao gồm:
nhiệt độ lạnh, sự thiếu hụt những chất dinh dưỡng then chốt, nồng độ NH4+ cao ở
phụ lưu, những chất thải ức chế và độc, sự thay đổi pH, thời gian lưu nước ngắn
trong bể aerotank và mức oxi hòa tan thấp nhất thời.

22 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

Sự tích lũy NO2- trong hệ thống bùn hoạt tính có thể là sự cố thay đổi theo mùa

vì sự thay đổi nhiệt độ và nồng độ MLVSS. Sự tích lũy NO2- thường xảy ra tại thời

điểm cuối mùa đông hay ngay từ đầu mùa xuân trong hệ thống bùn hoạt tính.
1.6.2 Oxi hòa tan (DO):
Có nhiều nhu cầu hoạt động được biết ảnh hưởng đến vi khuẩn nitrate hóa hay
quá trình nitrate hóa, nồng độ oxi hòa tan là một trong những nhu cầu quan trọng
ấy. Tuy nhiên nồng độ DO tối ưu nhất để hoàn thành quá trình nitrate hóa là rất
thấp, từ 2 – 3 mg/l và không may, nhiều hệ thống bùn hoạt tính được thông khí
vượt qúa để hoàn thành quá trình nitrate hóa.
Sự thông khí vượt quá thực tiễn không mang lại lợi nhuận và có thể góp phần
làm chia cắt những hạt keo hay làm tăng những bọt khí. Để quá trình nitrate hóa có
hiệu quả, lượng DO được duy trì trong bể aerotank sẽ được điều chỉnh để phù hợp
với nồng độNH4+ trong phụ lưu nước pha trộn, NO2- và NO3-. Ngoài ra, để nồng độ
DO trong bể aerotank, xáo trộn đủ phải được duy trì để ngăn cản sự phân tầng của
DO. Và DO phải thâm nhập vào lõi của những hạt keo.
Bởi vì vi khuẩn nitrate hóa là hiếu khí bắt buộc, chúng chỉ có thể oxi hóa nitơ
khi có sự hiện diện của oxi hòa tan. Ở nồng độ DO 0.5 mg/l quá trình nitrate hóa
không xảy ra. Những yếu tố chủ yếu cho giới hạn này về lượng của quá trình
nitrate hóa là sự thiếu oxi cho sự khuếch tán qua các hạt keo và sự cạnh tranh về
oxi bởi những sinh vật khác.
Sự tăng nồng độ oxi cho phép tốt hơn sự thâm nhập DO vào hạt keo và khuyến
khích thêm quá trình nitrate hóa. Trong khoảng DO từ 0.5 – 1.9mg/l, quá trình
nitrate hóa tăng tốc, nhưng nó không có hiệu quả lắm. Quá trình nitrate hóa có ý
nghĩa được hoàn tất ở nồng độ DO từ 2.0 – 2.9mg/l, trong khi đó quá trình nitrate
hóa đạt cao nhất xuất hiện gần với nồng độ DO 3.0mg/l.

23 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN
 
 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS. HUỲNH VĂN THÀNH
 
 

Bảng1.3: Nồng độ DO và quá trình nitrate hóa đạt được
Nồng độ DO (mgO2/l)
0.5mg/l

Quá trình nitrate hóa đạt được
Ít, một số lượng không xác định,
quá trình nitrate hóa xuất hiện.

0.5 – 1.9mg/l

Quá trình nitrate hóa xảy ra
nhưng yếu kém.

2.0 – 2.9mg/l

Quá trình nitrate hóa có ý nghĩa
xảy ra.

3.0mg/l

Quá trình nitrate hóa đạt tối đa.

Bởi vì vi khuẩn nitrate hóa phải giảm bớt CO2 cho tăng trưởng tế bào, sinh sản
và thu được ít năng lượng từ sự oxi hóa NH4+ và NO2-. Chúng cạnh tranh kém với
những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ về DO trong bể aerotank. Vì vậy mức
DO trong bể aerotank sẽ được giám sát một cách cẩn thận và không cho phép

xuống dưới 1.5mg/l. Dưới giá trị này sự giảm bớt hoạt động nitrate hóa xuất hiện.
Những vi khuẩn nitrate hóa có thể vẫn còn sống trong sự vắng mặt của DO chỉ
trong một khoảng thời gian rất ngắn. Sự vắng mặt của DO ít hơn 4 giờ không ảnh
hưởng bất lợi đến hoạt động của vi khuẩn nitrate hóa cho đến khi DO được khôi
phục. Sự vắng mặt DO nhiều hơn 4 giờ ảnh hưởng bất lợi đến hoạt động của vi
khuẩn nitrate hóa cho đến khi DO được khôi phục lại. Sự vắng mặt DO trong 24
giờ hay nhiều hơn có thể phá hủy quần thể vi khuẩn nitrate.
1.6.3 Tính kiềm và pH:
Nồng độ ion H+ hay pH của môi trường sống của sinh vật có ảnh hưởng tác
động rất lớn đến bên trong sinh vật. Quá trình nitrate hóa bắt đầu rất chậm ở pH
thấp và nó có thể xảy ra trong hầu hết môi trường; quá trình nitrate hóa xảy ra ở pH
dưới 5.0 không phải do vi khuẩn nitrate hóa thực hiện mà do những sinh vật dị

24 
SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN