Tài liệu Công nghệ sinh học môi trường doc

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

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

,
nước mặt bị ô nhiễm,
đất ô nhiễm, khíô nhiễm vàcòn cóthể dùng như
công cụ để điầu tra đánh giáô nhiễm
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
n “Công nghệ”
cóthểứng dụng rộng r
n “ inh học”:
sử dụng cơ thể sinh học, một
quátr nh sinh học hay một phản ứng sinh
học
n “ i trường”:
giải quyết những vấn đề của
môi trường như điều tra ô nhiễm, cải tạo ô
nhiễm, xử lý chất thải
KHÁI NIỆM
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
-Nucleic acid DNA, RN
-Protein / enzyme
-Lipids
-Polysaccharides
CÔNG CỤ SINH HỌC ĐƯỢC SỬ DỤNG
n Vi sinh vật: trong nước, đ t
n Th c vật: cạn bán ngập ngập nước
n Động vật không xương sống trong
bùn và đất
n Cao phân tử sinh học
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
“ Công nghệ sinh học môi trường làsựkết hợp về mặt nguyên
lý của nhiều ngành khoa học vàkỹthuật để sử dụng những khả

năng sinh hóa to lớn của các vi sinh vật, thực vật hay một phần
cơ thể của những sinh vật này để phục hồi, bảo vệ môi trường
vàsửdụng bền vững nguồn tài nguyên”
EPFL/LE
(L i n nt l i hn
NH NGH A
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Ô nhiễm không khí
Cá ch t ô nhi m thường
g
p
NO , Ox, SOx,
c n
ất h ơ ễ hơi
(VO
) ,
Kim ại n n (
O i xin / n ,
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Ô nhiễm
t và nước
Cá chất ô nhiễm:
oc bon ( ,
ợ chất cơ l ( , ,
ợ chất n thơm chứ nitơ
(
N
ợ chất h ơ(
Vô cơ (
3

,
4
)
• im loại n ng (Cd, Cr, Pl, Zn,
Cu)
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
➉
tiết: Xử lý ô nhiễm bằng phương pháp vi sinh o iation)
v Khái niệm vàNguyên lý
v K thuật xử lý ô nhiễm môi trường nước
v Kỹ thuật xử lý ô nhiễm môi trường t
➉
10 tiết: ử lý ô nhiễm bằng thực vật ( t i t n)
v t và nước ô nhiễm kim lo i nặng: nguyên lý, kỹ thuật xử lý
v t và nước ô nhiễm ch t hữu cơ: nguyên lý, kỹ thuật xử lý
➉
6 tiết: Xử lý ch t thải đi kèm t o sản ph m c n)
v Nguyên lý xử lý hiếu khívàk khí
v Công nghệ sinh metan từ nước thải vàch t thải rắn Công nghệ
sinh hydro
v Công nghệ t o etanol từ ch t thải chứa carbonhydrat,
cenllulose
CHƯƠNG TRÌNH GIẢNG 30 Ế
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
tiết: Xử lý ch t thải đi kèm t o sản
ph m ioco e ion)
v Nguyên lý xử lý hiếu khívàk khí
v Công nghệ sinh metan t nước thải và
ch t thải rắn Công nghệ sinh hydro
v Công nghệ t o etanol từ ch t thải

chứa carbonhydrat, cenllulose
CHƯƠNG TRÌNH GIẢNG 0 Ế )-
ti p the
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Xử lý ô nhiễm bằng
phương pháp vi sinh
BIOREMEDIATIO
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Nguyên lý
XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI
SINH BIOREMEDIATION
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
chất cho
điện t
(nguồn n ng
lượng)
e e
chất nhận
điện tử
(o nitrate
sulfate arbonic)
n ng lượng
sinh tổng hợp
carbon
N
Fe
Vi lượng
tế bào vi khuẩn
Sinh tr ng c a vi sinh v t y cầu dinh dưỡng C,N, P, S vi lượng
hô hấp trong đóbao gồm nguồn cho vàchất nhận điện tử

XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI
SINH: Sinh lý của vi khu n
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Chất ô nhiễm
làchất cho
điện tử
(nguồn n ng
lượng)
e
e
năng lượng
sinh tổng hợp
tế bào vi khuẩn
N
Fe
Vi lượng
chất nhận điện
tử (o nitrate
sulfate arbonic)
carbon
Chất ô nhiễm làchất cho điện tử
XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI
SINH: Cơ chế “ ng hóa”ch t ô nhiễm
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
e
e
năng lượng
sinh tổng hợp
Chất ô nhiễm
= nguồn

carbon
N
P
S e
Vi lượng
chất cho
điện tử
(nguồn n
ng
lượng)
chất nhận điện
tử (o nitrate
sulfate arbonic)
tế bào vi khuẩn
Chất ô nhiễm làn ồn carbon
XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI
SINH: Cơ chế “ ng hóa”ch t ô nhiễm
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
e
e
năng lượng
sinh tổng hợp
N P
S e
Vi lượng
chất cho
điện tử
(nguồn n
ng
lượng)

tế bào vi khuẩn
Chất ô nhiễm làchất nh n điện tử
Chất ô nhiễm =
ch
t nhận điện
tử ni ate,
l ,c nic)
carbon
XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI
SINH: Biến đổi ch t ô nhiễm theo cơ chế sinh lý
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
chất cho
electron
ngu n
năng
lượn
e
✲
e
✲
chất nhận
electron
(khíoxygen
nitrate
sulfate
khícarbonic)
năng lượng
sinh tổng hợp
carbon
N

P
S Fe
e
Chất ô nhiễm
bị biến đổi
Chất ô nhiễm
Chất ô nhiễm khôn tham gia vào quátrình
trao đổi chất nhưng bị biến đổi bên trong tế
bào vi khuẩn
XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI
SINH: Biến đổi ch t ô nhiễm theo cơ chế trực tiếp
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
chất cho
electron
ngu n
năng
lượn
e
 
e
 
chất nhận
electron
híoxygen
nitrate
sulfate
khícarboni
năng lượng
sinh tổng hợp
carbon

N
P
S Fe
e
Chất ô nhiễm
bị biến đổi
Chất ô nhiễm
Sự biến đổi chất ô nhiễm xảy ra hoàn
toàn bên ngoài tế bào vi khuẩn
XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI
SINH: Biến đổi ch t ô nhiễm theo cơ chế gián tiếp
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
CHẤT Ô NHIỄM LÀNGU N CACBON
Đánhiễm
dầu
Đá đã sạch dầu
Cơ chế đồng hoá
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
CHẤT Ô NHIỄM LÀCHẤT NH N IỆN TỬ
Quátrình khử nitrát kị khí:
NO
3
-
+ 2e
-
+ 2H
+
NO
2
-

+ H
2
O N
2
VD: Paracoccus species, Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas aeruginosa
and Rhodobacter sphaeroides …
Quátrình khử
sulphat kị khí:
Acetat+ 3H
+
SO
4
2-
2H
2
O+ H
2
S + 2CO
2
VD: Desulfovibrionaceae , Desulfobacteriaceae, Desulfobulbusaceae …
Cơ chế sinh l
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
ClCl
HCl
oxygenase
TCE
Cl
Cl
H
Cl

O
TCE epoxide
Tế bào vi sinh vật
CO
HCOOH
Cl
2
HC-COOH
OHC-COOH
Môi trường
Oxít carbon
Formic axít
dichloroacetate
glyoxylate
(toluene, phenol, methane,
ammonia, isoprene, propane…)
CHẤT Ô NHIỄM B BIẾN I TR C TI P
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
Năng lượng giải phóng kJ mol electron vận chuyể
0 0 (volts)-0,5
Kh
CT CF
O
2
→ H
2
O
PCE → TCE
NO
3

NO
2
DCB MCB
DCE → VC
SO
4
→ H
2
S
CO
2
CH
4
Ferredoxin ox
NADH NAD
Oxi hoá
0
+50
50
ÔXY HOÁKHỬ LÀPHẢN ỨNG CƠ S
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
VAI TRÒ CỦA ÔXY VÀCHẤT THAY THẾ ÔXY
Vai trò c a ôxy trong phân h y Hiếu khí :
1.Chất nhận điện tử cuối của quátrình hô hấp
2.oxy hóa chất ô nhiễm trực tiếp
Vai trò của chất thay thế ôxy trong phân hủy Kị khí :
1. Chất nhận điện tử cuối của quátrình hô hấp là:
Ion
ợp ch t (NO
3

, SO
4
, Fe(III), Mn(IV), CO
2
,
2. Tham gia biến dạng chất ô nhiễm (khử)