Khóa luận Một số vi sinh vật phân hủy Protein và ứng dụng trong xử lý nước thải thủy sản

ân hủy các acid béo không bão hoà tạo ra mùi rất khó chịu và đặc trưng, làm ô nhiễm về mặt cảm quan và ảnh hưởng đến sức khoẻ cho người công nhân trực tiếp làm việc. Nói chung nước thải của nghành chế biến thủy sản có các chỉ tiêu vượt quá nhiều lần so với quy định cho phép xả vào nguồn tiếp nhận do nhà nước quy định(từ 5 – 10 lần về chỉ tiêu BOD,COD,gấp 7- 15 lần về chỉ tiêu nitơ hữu cơ. Ngoài ra chỉ số về lưu lượng nước thải trên một đơn vị sản phẩm của nhà máy loại này cũng rất lớn( từ 10 – 20m3/tấn sản phẩm). Chính vì vậy,tải lượng ô nhiễm do các xí ngiệp của nghành chế biến thủy sản gây ra rất lớn. Nước thải nhiễm bẩn hữu cơ từ các nhà máy xí nghiệp nghành chế biến thủy sản nếu không được xử lý triệt để sẽ góp phần làm gia tăng mức độ ô nhiễm của môi trường trên các sông, kênh rạch khu dân cư ở các khu vực. Các chất ô nhiễm do nước thải của các xí nghiệp nghành chế biến thủy sản là nguồn ô nhiễm nghiêm trọng đang từng ngày góp phần làm xấu đi trầm trọng chất lượng nguồn nước mặt tại đô thị và các khu dân cư. Ngoài ra nước thải của nghành chế biến thủy sản còn có khả năng lan truyền bệnh dịch từ các xác thủy sản bị chết, thối rữa… và khi nguồn nước bị ô nhiễm sẽ tác động lên con người và động vật sử dụng nguồn nước này. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 20 CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ PROTEIN TRONG NƯỚC THẢI THỦY SẢN 3.1. Cấu tạo, tính chất và vai trò của protein 3.1.1 Cấu tạo Protein là chất có phân tử lượng cao,cấu tạo bởi các nguyên tố chính là C, H, O, N. Ngoài ra còn có các nguyên tố vi lượng S, P, Fe.Sau đây là thành phần cấu tạo protein: Carbon : 51-55 Hydrogen : 6.5-7.3 Nitrogen : 15.5-18 Oxygen : 21.5-23.5 Sulphur : 0.5-2 Phosphore : 0-1.5 Protein là chuỗi acid amin kết hợp với nhau bằng liên kết peptide (CO - NH) Nói tổng quát, protein được tạo thành do các acid amin liên kết với nhau. Các cấu trúc của protein: Về mặt cấu trúc protein gồm bốn bậc: bậc I, bậc II, bậc III và bậc IV . Protein Bậc Protein Bậc II Protein Bậc Protein Bậc IV Hình 3.1. Các bậc cấu trúc của protein 3.1.1.1. Cấu trúc bậc I của protein Cấu trúc bậc I biểu thị trình tự các gốc amino acid trong chuỗi polypeptide, cấu trúc này được giữ vững bằng liên kết peptide (liên kết cộng hóa trị). GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 21 3.1.1.2. Cấu trúc bậc II của protein Biểu thị sự xoắn của chuỗi polypeptide, là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở gần nhau trong mạch polypeptid Bảng 3.1. Số lượng xoắn α và nếp gấp β trong chuỗi đơn một số protein Protein (số gốc) Số gốc (%) Xoắn α Nếp gấp β Chymotrypsin 14 45 Ribonuclease 26 35 Carboxypeptidase 38 17 Cytochrom C 39 0 Lysozyme 40 12 Myoglobin 78 0 (Trích Công nghệ sinh học phân tử - Nguyễn Chiến Thắng) 3.1.1.3. Cấu trúc bậc III của protein Biểu thị sự xoắn và cuộn khúc của chuỗi polypeptide thành khối, đặc trưng cho potein cầu, là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở xa nhau trong chuỗi polypeptide. Trong nhiều protein hình cầu có chứa các gốc Cys tạo nên liên kết disulphide giữa các gốc Cys xa nhau trong chuỗi polypeptide làm cho chuỗi bị cuộn lại (xem myoglobin hình 3.21). Ngoài ra cấu trúc bậc III còn được giữ vững bằng các loại liên kết khác như Van der Waals, liên kết hydrogen, liên kết tĩnh điện giữa các gốc amino acid v.v.. 3.1.1.4. Cấu trúc bậc IV của protein Biểu thị sự kết hợp của các chuỗi có cấu trúc bậc III trong phân tử protein. Hay nói cách khác, những phân tử protein có cấu trúc từ 2 hay nhiều chuỗi protein hình cầu, tương tác với nhau trong không gian tạo nên cấu trúc bậc IV. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 22 3.1.2. Tính chất của protein - Tính tan của protein Các loại protein khác nhau có khả năng hoà tan dễ dàng trong một số loại dung môi nhất định, chẳng hạn như albumin dễ tan trong nước; globulin dễ tan trong dung dịch muối loãng; prolamin tan trong ethanol, glutelin chỉ tan trong dung dịch kiềm hoặc acid loãng - Tính ngậm nước của protein . Trong môi trường nước, protein kết hợp với nước trương lên trở thành dạng keo. Các phân tử nước bám vào các nhóm ưa nước trong phân tử protein như - NH 2 , -COOH.. ngăn cách các phân tử protein không cho chúng dính vào nhau để thành tủa - Độ nhớt của dung dịch protein Khi protein hoà tan trong dung dịch, mỗi loại dung dịch của những protein khác nhau có độ nhớt khác nhau. - Hằng số điện môi của dung dịch protein Hằng số điện môi của dung môi làm ngăn cản lực tĩnh điện giữa các nhóm tích điện của protein và nước. - Tính chất điện li của protein Cũng như các amino acid, protein là chất điện li lưỡng tính vì trong phân tử protein có nhiều nhóm phân cực mạnh (bên gốc R) của amino acid - Biểu hiện quang học của protein Cũng như nhiều chất hoá học khác, protein có khả năng hấp thụ và bức xạ ánh sáng dưới dạng lượng tử hγ - Kết tủa thuận nghịch và không thuận nghịch protein Khi protein bị kết tủa đơn thuần bằng dung dịch muối trung tính có nồng độ khác nhau hoặc bằng protein ethanol, acetone ở nhiệt độ thấp thì protein vẫn giữ nguyên được mọi tính chất của nó kể cả hoạt tính sinh học và có thể hoà tan trở lại gọi là kết tủa thuận nghịch. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 23 3.1.3. Vai trò của protein 3.1.3.1. Chức năng tạo hình Ngoài các protein làm nhiệm vụ cấu trúc như vỏ virus, màng tế bào, còn gặp những protein thường có dạng sợi như: sclerotin có trong lớp vỏ ngoài của sâu bọ; fibroin của tơ tằm, nhện; collagen, elastin của mô liên kết, mô xương. Collagen đảm bảo cho độ bền và tính mềm dẻo của mô liên kết. 3.1.3.2. Chức năng xúc tác Hầu hết các phản ứng xẩy ra trong cơ thể đều do các protein đặc biệt đóng vai trò xúc tác, những protein đó được gọi là các enzyme. 3.1.3.3. Chức năng bảo vệ Ngoài vai trò là thành phần chính trong xúc tác, cấu trúc của tế bào và mô, protein còn có chức năng chống lại bệnh tật để bảo vệ cơ thể. 3.1.3.4. Chức năng vận chuyển Trong cơ thể có những protein làm nhiệm vụ vận chuyển như hemoglobin, mioglobin, hemocyanin vận chuyển O2 ,CO2và H + đi khắp các mô, các cơ quan trong cơ thể. 3.1.3.5. Chức năng vận động Nhiều protein làm nhiệm vụ vận động co rút như myosin, actin ở sợi cơ, chuyển vị trí của nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào ... 3.1.3.6. Chức năng dự trữ và dinh dưỡng Protein dự trữ này chính là nguồn cung cấp dinh dưỡng quan trọng cho các tổ chức mô, phôi phát triển. 3.1.3.7. Chức năng điều hoà Các protein làm nhiệm vụ điều hoà quá trình trao đổi chất thông qua tác động lên bộ máy thông tin di truyền. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 24 3.1.3.8. Chức năng cung cấp năng lượng Protein cũng là nguồn cung cấp năng lượng quan trọng cho mọi hoạt động sống trong cơ thể. Trong cơ thể các protein bị phân giải thành các amino acid, từ đó tiếp tục tạo thành hàng loạt các sản phẩm, trong đó có các ceto acid, aldehyde và carboxylic acid. 3.2. Nguồn gốc của protein trong nước thải thủy sản Chủ yếu protein trong nước thải thủy sản có bản chất và nguồn gốc từ động vật. Các nguyên nhân dẫn đến sự có mặt của Protein trong nước thải thủy sản: ¾ Nước thải trong quá trình sản xuất như: rửa nguyên liệu,máy móc sau khi chế biến ¾ Các thức ăn dành cho việc nuôi trồng thủy sản có hàm lượng protein cao ¾ Nước sinh hoạt của các công nhân. 3.3. Sự cần thiết phải xử lý protein trong nước thải thủy sản Nghành nuôi trồng và chế biến thủy sản, trong đó cụ thể là các xí nghiệp chế biến thủy sản đều có nước thải chứa protein. Khi được thải ra dòng chảy, protein nhanh chóng bị phân hủy cho ra acid amin, acid béo, acid thơm, H2S, nhiều chất chứa S, N và P, có tính độc và mùi khó chịu. Ê Điều này dẫn đến các hệ quả: ¾ Ô nhiễm bầu không khí: sự thủy phân sinh ra các chất như H2S, NH3, CH4, … Tạo ra mùi khó chịu đối với khu vực xả thải. ¾ Góp phần gây nên hiện tượng phú dưỡng hoá: trong protein có nồng độ chất dinh dưỡng N, P cao, tỷ lệ P/N cao do sự tích luỹ tương đối P so với N, sự yếm khí và môi trường khử của lớp nước đáy thuỷ vực, sự phát triển mạnh mẽ của tảo và nở hoa tảo. ¾ Sự kém đa dạng của các sinh vật nước, đặc biệt là cá . ¾ Gây mất mỹ quan môi trường: nước có màu xanh đen hoặc đen, có mùi khai thối do thoát khí H2S... ¾ Gây ô nhiễm nguồn nước: Nước ngầm và nước mặt. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 25 3.3. Sự phân hủy protein trong nước thải thủy sản 3.3.1. Cơ chế phân hủy protein Protein là một chất hữu cơ có chứa các hợp chất cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển vi sinh vật. Protein ở môi trườmg bên ngoài sẽ là nguồn thức ăn của vi sinh vật. Để có thể sử dụng được protein làm thức ănvi sinh vật tiết ra một loại Enzyme để thủy phân các liên kết peptide hoặc các polypeptide thành các peptide có phân tử lượng nhỏ hơn. Tiếp theo là sự phân hủy các peptide trên thành các acid amin tự do ở môi trường ngoài. Sau đó được các vi sinh vật hấp thụ các acid amin tự do ở môi trường ngoài vào trong tế bào. Trong tế bào vi sinh vật các acid amin sẽ được phân giải thành năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của tế bào. Hình 3.2. Cơ chế phân hủy protein 3.3.2. Vòng tuần hoàn của các chất có trong thành phần của protêin 3.3.2.1. Vòng tuần hoàn của carbon Vòng tuần hoàn carbon diễn tả điều kiện cơ bản đối với sự xuất hiện và phát triển của sự sống trên trái đất, các hợp chất của carbon tạo nên nền tảng cho mọi loại Protein (ở môi trường ngoài) Acid amin (ở môi trường ngoài) Enzyme protease Vi sinh vật Acid amin (Trong tế bào) Năng lượng Hoạt động sống của tế bào Phân giải GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 26 hình sự sống.Vòng carbon quan trọng nhất là dạng thông qua CO2 của khí quyển và của sinh khối. Thông qua mạng lưới thức ăn động vật và con người sử dụng các carbon hữu cơ của thực vật, chuyển hóa chúng thành các carbon hữu cơ của động vật và con người. Đặc biệt, con người đã sử dụng một lượng lớn carbon trong các nguồn carbon biến chúng thành năng lượng và nguyên liệu để phục vụ cho sản xuất và đáp ứng các nhu cầu đời sống Trong quá trình sống thì thông qua hoạt động hô hấp, con người và động vật cũng thải ra một lượng lớn CO2 trả lại vào môi trường, trong những năm gần đây với quá trình công nghiệp hóa cùng với sự thu hẹp diện tích rừng đã gây ra nhiều sự xáo trộn trong chu trình làm cho nồng độ CO2 trong khí quyển gia tăng từ 290ppm (ở thế kỉ 19) lên đến 325ppm (ngày nay). Trong chu trình carbon vi sinh vật là một mắt xích có vai trò rất quan trọng. Người, động vật, thực vật và ngay cả vi sinh vật khi chết đi sẽ được vi sinh vật phân giải thành các dạng carbon trong hợp chất bán phân giải như than đá, dầu mỏ, các hợp chất trung gian, hợp chất mùn và cabon trong hữu cơ không đạm và cuối cùng thành CO2 (và H2O), CO2 lại đi vào trong không khí hay hòa tan vào dung dịch để rồi lại được thực vật sử dụng và một lần nữa đi vào chu trình. ÊVi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong một số khâu chuyển hoá của vòng tuần hoàn này: Hình 3.3. Vòng tuần của carbon Carbon thực vật Carbon động vật CO2 Vi sinh vật phân hủy (Chất hữu cơ) GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 27 3.3.2.2. Vòng tuần hoàn của nitrogen Trong tự nhiên nitrogen tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, từ nitrogen phân tử ở dạng khí cho tới các hợp chất hữu cơ phức tạp có trong cơ thể thực vật, động vật và con người. Trong cơ thể sinh vật, nitrogen tồn tại dưới dạng các hợp chất hữu cơ như protein, các acid amin. Dưới tác dụng của các nhóm vi sinh vật hoại sinh, protein được phân giải thành các acid amin. Các acid amin lại được một nhóm vi sinh vật khác phân giải thành NH3 hoặc NH4+ gọi là nhóm vi khuẩn amôn hoá. Qúa trình này gọi là sự khoáng hoá chất hữu cơ vì qua đó nitrogen hũư cơ được chuyển thành nitrogen dạng khoáng. Dạng NH4+ sẽ được chuyển hoá thành dạng NO3- nhờ nhóm vi khuẩn nitrat hoá. Các hợp chất nitrat hoá lại được chuyển hoá thành nitrogen phân tử, quá trình này được gọi là phản nitrat hoá được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn phản nitrat. Khí N2 sẽ được cố định lại trong tế bào vi khuẩn và tế bào thực vật sau đó được chuyển hoá thành dạng nitrogen hữu cơ nhờ nhóm vi sinh vật cố định nitrogen. Như vậy vòng tuần hoàn nitrogen được khép kín trong hầu hết các khâu chuyển hoá của vòng tuần hoàn và có sự tham gia của các nhóm vi sinh vật khác nhau. Nếu sự hoạt động của một nhóm nào đó dừng lại thì toàn bộ sự chuyển hoá của vòng tuần hoàn cũng sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Ê Vi sinh vật đóng một vai trò quan trọng trong một số khâu chuyển hoá của vòng tuần hoàn này: Hình 3.4. Vòng tuần hoàn của nitrogen. N2 NH3 , NH+4 NO3 Chất hữu cơ trong đất Động vật Thực vật GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 28 3.3.2.3. Vòng tuần hoàn của lưu huỳnh Sự chuyển hóa của lưu huỳnh trong thiên nhiên tạo thành một chu trình khép kín. Những giai đoạn phân giải hợp chất hữu cơ có lưu huỳnh khá phức tạp, cho đến nay chưa được nghiên cứu thật rõ ràng, trừ một vài hợp chất như cistin, methionin. Rể thực vật hấp thu S ở dạng (NH4)2SO4 để tổng hợp các liên kết và các acid amin có S như cystin, cystein, Mothionin. Thực vật tích lũy S trong cơ thể nó (đặc biệt là thực vật chịu mặn tích lũy S rất cao). Động vật ăn thực vật tích lũy S, và người ăn thực vật, động vật lại tích lũy S trong cơ thể. Sau khi chết đi, xác động vật, thực vật và người trả S lại cho đất nhờ vi sinh vật phân hủy. Trong đó có cả những vi sinh vật tự dưỡng hóa năng, vi sinh vật tự dưỡng quang năng và cả vi sinh vật dị dưỡng. Ở đó S lại được chuyển hóa. Một phần S biến thành SO2 hay H2S bay khỏi mặt đất đi vào khí quyển, S được các sinh vật hấp thu, để rồi chu trình S lại tiếp tục, hoặc trầm tích lại trong than đá, dầu hỏa và chỉ quay trở lại chu trình khi bị đốt cháy. Hình 3.5. Vòng tuần hoàn của lưu huỳnh 3.3.2.4. Vòng tuần hoàn của phosphore Phosphore là nguyên tố rất phổ biến trong thiên nhiên và có vai trò rất quan trọng đối với sự sống của sinh vật. Qua quá trình phong hóa đá và khoáng hóa các hợp chất hữu cơ phosphore được giải phóng ra tạo thành các muối của acid phosphoric chứa các ion HPO3,H2PO3, PO43-, đơn giản dễ chuyển hoá được hấp thụ vào rễ thực vật và các loài vi sinh vật sử dụng. Để rồi chúng tạo ra các acid amin chứa phosphore và các S H2S S hữu cơ thực vật S hữu cơ động vật SO42- GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 29 enzyme phosphate, chuyển các liên kết cao năng phosphore thành năng lượng cho cơ thể : ATP thành ADP và giải phóng năng lượng. Phosphore là nguyên tố không thể thiếu được của thực vật. Khi động vật ăn thực vật, phosphore lại biến thành chất liệu của xương của các liên kết, các enzyme. Khi chết đi động vật thực vật và con người trả lại phosphore trong cơ thể thành phosphore cho môi trường sinh thái đất. Một lượng phosphore đi vào đại dương sau khi phosphore bị hòa tan dần dần trong đá nham thạch chảy qua kênh rạch, sông hồ và làm giàu cho nước mặn, trở thành nguồn dinh dưỡng cho các loài sinh vật sử dụng. Hình 3.6. Vòng tuần hoàn của phosphore 3.3.3. Enzyme phân hủy cần cho quá trình phân hủy protein 3.3.3.1. Cấu tạo Protease vi sinh vật là một hệ thống rất phức tạp bao gồm nhiều enzyme giống nhau về cấu trúc, khối lượng và hình dạng phân tử nên rất khó tách ra dưới dạng tinh thể đồng nhất. Do là phức hệ gồm nhiều enzyme khác nhau nên protease vi sinh vật thường có tính đặc hiệu rộng rãi cho sản phẩm thủy phân triệt để và đa dạng. Phosphate vô cơ Lửa cháy rừng, đồng cỏ Động vật ăn thực vật Sinh vật tự dưỡng Thải vào môi trường Phong hóa Tích lũy phosphate trong trầm tích Sinh vật phân hủy Xác chết và chất thải GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 30 Cấu trúc trung tâm hoạt động (TTHĐ) của protease Trong TTHĐ của protease vi sinh vật ngoài gốc acid amin đặc trưng cho từng nhóm còn có một số gốc acid amin khác. Các kết quả nghiên cứu chung về TTHĐ của một số Protease vi sinh vật cho phép rút ra một số nhận xét chung như sau: - TTHĐ của protease đủ lớn và bao gồm một số gốc acid amin và trong một số trường hợp còn có cả cofactor kim loại. + Các protease kim loại có TTHĐ lớn hơn vào khoảng 210A, có thể phân biệt thành sáu tiểu đơn vị, mỗi tiểu đơn vị tương ứng với mỗi gốc acid amin trong phân tử cơ chất. + Đối với các protease acid, theo nhiều nghiên cứu về cấu trúc TTHĐ của các tinh thể protease acid của Phizopus chinensis và Endothia parasilica đã cho thấy phân tử của các protease này gồm có hai hạt, giữa chúng có khe hở vào khoảng 20oA. Khe hở này là phần xúc tác của các enzyme, các gốc Asp-35 và Asp-215 xếp đối diện nhau trong khe ấy. - Đối với các protease không chứa cysteine, TTHĐ của chúng có tính mềm dẻo hơn do cấu trúc không gian không được giữ vững bởi các cầu disulphide. Mặc dù TTHĐ của các protease vi sinh vật có khác nhau nhưng các enzyme này đều xúc tác cho phản ứng thủy phân liên kết peptide theo cùng một cơ chế chung như sau: E + S E – S E – S + P1 E + P2 Hình 3.8. Cơ chế xúc tác của enzyme Hình 3.7. Cấu trúc không gian enzyme Protease GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 31 Trong đó: E: enzyme S: cơ chất E - S: Phức chất enzym- cơ chất, P1: Là sản phẩm đầu tiên của phản ứng, P2: Là sản phẩm thứ hai của phản ứng. 3.3.3.2. Cơ chế hoạt động thủy phân protein của enzyme protease Nhóm enzyme protease (peptide – hydrolase 3.4) xúc tác quá trình thuỷ phân liên kết liên kết peptide (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptide đến sản phẩm cuối cùng là các acid amin. Ngoài ra, nhiều protease cũng có khả năng thuỷ phân liên kết este và vận chuyển acid amin. Hình 3.9. Cơ chế hoạt động thủy phân protein của enzyme protease (Trích [8]. Trần Xuân Ngạch (2007), Công nghệ enzym, Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng) Ê Tác động trên mạch polypeptide, exopeptidase: + Aminopeptidase: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu N tự do của chuỗi GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 32 polypeptide để giải phóng ra một amino acid, một dipeptide hoặc một tripeptide. + Carboxypeptidase: xúc tác phản ứng thủy phân liên kết peptide ở đầu C của chuỗi polypeptide và giải phóng ra một amino acid hoặc một dipeptide. +Dipeptihydrolase: xúc tác phản ứng thủy phân các liên kết dipepit + Proteinase: xúc tác phản ứng thủy phân các liên kết peptid nội mạch 3.3.3.3. Chức năng sinh học của protease vi sinh vật Theo nhiều tác giả thì Protease ngoại bào và Protease nội bào của vi sinh vật có thể có những vai trò khác nhau đối với hoạt động sống của vi sinh vật. Các protease ngoại bào phân giải protein và các cơ chất cao phân tử khác có trong môi trường dinh dưỡng thành các dạng phân tử thấp để vi sinh vật dễ dàng hấp thu. Các vi sinh vật mất khả năng tiết protease ngoại bào nên không thể sử dụng protein làm nguồn đạm dinh dưỡng. Mặt khác quá trình tiết protease ngoại bào cũng như quá trìnhtổng hợp chúng ở nhiều vi sinh vật bị giảm khi môi trường có chứa một lượng lớn acid amin. Protease nội bào thường là peptidase và một số protease. Theo Hiroishi(1976) thì protease nội bào có vai trò quan trọng hơn protease ngoại bào, chúng có thể hoàn thành chức năng sau đây : ¾ Phân giải các peptide được đưa từ môi trường ngoài vào thành các acid amin để tổng hợp tế bào hoặc đôi khi làm nguồn C , N , S , P... Theo Gedbery và Dice (1974 ), tốc độ phân giải protein trong tế bào tăng lên khi vi sinh vật bị thiếu C, N, S, P.... sự phân hủy protein cũng tăng lên nhanh chóng trong quá trình sinh trưởng. ¾ Các protease nội bào có thể tham gia quá trình cải biến một số phân tử protein, enzyme. Điều này có nghĩa đối với việc hình thành và nảy mầm của bào tử vi sinh vật. ¾ Các protease nội bào cũng có thể tham gia vào việc hoàn thiện chuỗi polypeptide đã có sẵn. Ngoài ra, protease nội bào cũng có tác dụng phân hủy các protein vô dụng được tổng hợp sai do đột biến. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 33 CHƯƠNG 4: VI SINH VẬT PHÂN GIẢI PROTEIN TRONG NƯỚC THẢI THỦY SẢN 4.1. Vai trò của vi sinh vật trong xử lý nước thải Vi sinh vật có trong nước thải chiếm đa số về loài và số cá thể trong tập đoàn sinh vật của nước thải. Nước thải càng nhiễm bẩn thì càng phong phú vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn. Vi sinh vật đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong các quá trình phân hủy chất hữu cơ và một số hợp chất vô cơ có trong nước thải. Đặc biệt là nước thải thủy sản với hàm lượng chất hữu cơ rất là cao so với các nghành khác. Những vi sinh vật có thể liên tục chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải bằng cách tổng hợp thành tế bào (nguyên sinh chất) mới. Chúng có thể hấp thụ một lượng lớn các chất hữu cơ qua bề mặt tế bào của chúng. Nhưng sau khi hấp thụ, nếu các chất hữu cơ không được đồng hóa thành tế bào chất thì tốc độ hấp thụ sẽ giảm tới 0. Một lượng nhất định các chất hữu cơ hấp thụ được dành cho việc kiến tạo tế bào. Một lượng khác các chất hữu cơ lại được oxy hóa để sinh năng lượng cần thiết cho việc tổng hợp. Đặc biệt là đối với nước thải thủy sản, với hàm lượng chất hữu cơ cao, thì trong quá trình xử lý vi sinh vật đóng vai trò cực kì quan trọng. Vì đây là nguồn thức ăn phong phú cho sự phát triển của vi sinh vật,đặc biệt là nhóm vi sinh vật phân giải protein. Dựa trên phương thức phát triển vi sinh vật được chia thành 2 nhóm: ¾ Các vi sinh vật dị dưỡng: sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn năng lượng và nguồn carbon để thực hiện các phản ứng sinh tổng hợp. ¾ Các vi sinh vật tự dưỡng: có khả năng oxy hoá chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO 2 làm nguồn carbon cho quá trình sinh tổng hợp. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 34 4.2. Các phương pháp xử lý nước thải 4.2.1. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên Cơ sở của phương pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của đất và nước dưới tác động của các tác nhân sinh học có trong tự nhiên. Việc xử lý này được thực hiện bằng các cánh đồng tưới, bãi lọc hoặc hồ sinh học. Diễn biến của quá trình như sau: nước thải sau khi qua song chắn rác vào bể lắng cát và sau đó vào các bể lắng để loại các chất bẩn không hòa tan rồi được dẫn chảy qua cánh đồng, các bãi lọc sinh học hoặc các hồ sinh học. Hình 4.1. Sơ đồ quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên 4.2.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện công nghệ Cơ sở của phương pháp này là dựa vào đặc trưng của các loài vi khuẩn: hiếu khí, kỵ khí, kỵ hiếu khí, mà con người dựa vào đó sử dụng công nghệ tác động vào để xử lý. Cánh đồng tưới Nước thải Bể lắng cát Các bể lắng Song chắn rác Bãi lọc sinh học Hồ sinh học Loại các chất bẩn không hòa tan GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 35 Việc xử lý nước thải này được thực hiện bằng các công trình như: bể Arotenk, bể UASB, bể RBC,… Diễn biến của quá trình như sau: Nước thải sau khi qua song chắn rác vào bể lắng cát và sau đó vào các bể lắng để loại các chất bẩn không hòa tan rồi được dẫn chảy qua các công trình. Sau đó được xử lý và thải ra ngoài . Hình 4.2. Sơ đồ quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện công nghệ Tuy nhiên xử lý theo phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên có những mặt hạn chế so với xử lý bằng công nghệ. Bảng 4.1. So sánh phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên và điều kiện công nghệ Tiêu chí Tự nhiên Công nghệ Diện tích Chiếm diện tích lớn Chiếm ít diện tích Khả năng kiểm soát Không kiểm soát được diều kiện môi trường, hoạt động của vi sinh vật Dễ dàng kiểm soát được diều kiện môi trường, hoạt động của vi sinh vật Nước thải Song chắn rác Bể UASB Bể RBC Bể lọc sinh học Loại các chất bẩn không hòa tan Bể lắng cát Các bể lắng Bể aerotank Thải ra ngoài GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 36 Hiệu quả xử lý Thời gian xử lý chậm Thời gian xử lý nhanh hơn Phạm vi ứng dụng Phương pháp xử lý này thường được áp dụng đối với các loại nước thải công nghiệp có độ nhiễm bẩn không cao. Phương pháp xử lý này thường được áp dụng đối với các loại nước thải công nghiệp có độ nhiễm chất hữu cơ cao 4.2.3. Xử lý nước thải thủy sản bằng phương pháp hoá lý Cơ sở của phương pháp này là sử dụng các yếu tố vật lý: lắng, lọc,… và hoá học: keo tụ,tạo bông để xử lý. Việc xử lý nước thải này được thực hiện bằng các phương pháp : ¨ Phương pháp lắng và đông tụ: Loại bỏ các chất rắn và huyền phù ¨ Phương pháp hấp phụ: Hấp phụ các chất hữu cơ và vô cơ trên vật liệu