Luận văn Khảo sát hệ vi sinh vật kiểm soát NH3 trong nuôi tôm

phép. Từ thực tiễn cho thấy việc phát hiện được hydro sunfua trong các ao hồ là dấu hiệu không an toàn. Carbon dioxit (CO2) Carbon dioxit (khí CO2) tan tốt trong nước, sinh ra trong quá trình hô hấp của động thực vật và được tiêu thụ do quá trình quang hợp của thực vật. Trong môi trường nước, nồng độ CO2 thường tỉ lệ nghịch với nồng độ oxy hòa tan. CO2 trong ao hồ nuôi có ảnh hưởng đến ức chế thủy động vật, ảnh hưởng đến pH của môi trường, ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo. Trong các ao hồ nuôi thả, hoạt động sinh hóa trong đó diễn ra mãnh liệt hơn so với các nguồn nước trong tự nhiên. Cũng giống như oxy hòa tan, diễn biến của CO2 trong nước quyết định bởi quá trình quang hợp và hô hấp. CO2 tan tốt trong nước sinh ra trong quá trình hô hấp và bị tiêu thụ do quá trình quang hợp của thực vật. Nồng độ CO2 trong ao hồ sẽ ức chế thủy động vật, ảnh hưởng đến pH của môi trường và ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo. Nồng độ CO2 cao gây mê đối với thủy sản và có thể gây chết. Nồng độ CO2 cao trong nước sẽ kìm hãm quá trình thải CO2 từ cơ thể ra ngoài, khi đó khả năng tiếp nhận oxy của hemolgobin sẽ giảm, nồng độ CO2 lớn làm giảm khả năng hô hấp. Nhìn chung khí CO2 tan trong nước thúc đẩy sự phát triển của tảo nhưng nhìn chung là yếu tố có hại cho đời sống của các loài thủy động vật. Đồng và kim loại nặng Kim loại nặng theo định nghĩa ban đầu là các kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm3, thường là các nguyên tố như crom, nickel, đồng, chì, kẽm, cadmi, thuỷ ngân. Các kim loại này có tính độc đối với thủy động vật ở mức nồng độ khá thấp. Cơ chế gây độc của đồng đối với cá được hiểu như sau : ion đồng (II) thành phần được coi là gây độc chủ yếu sẽ bị hấp phụ lên bề mặt của mang cá, tại đó hoặc khi thâm nhập vào cơ thể cá sẽ gây ra độc tính. Cơ chế gây độc là do ảnh hưởng tới chức năng điều hòa áp suất thẩm thấu của mang cá. Sự có mặt của đồng ức chế sự hấp thu tích cực ion natri (Na+) và clorua (Cl-) của mang cá cũng như tăng khả năng thấm của màng, tức là tăng cường quá trình mất thụ động các chất điện ly từ cơ thể. Khi đồng xâm nhập vào cơ thể, chúng sẽ liên kết với một số tâm protein của enzyme dẫn đến ức chế sự hấp thu tích cực các ion muối. Ngoài ra, đồng còn gây ra các hiệu ứng khác nhau : làm tổn thương màng, tăng axit trong máu. Tất cả các hiệu ứng trên đều dẫn đến suy giảm khả năng trao đổi chất của thủy động vật. Chlor Chlor được sử dụng để khử trùng cho nước nuôi trồng thủy sản hoặc nước ươm giống. Chlor dùng để khử trùng tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau : khí clo (Cl2), dung dịch javen (NaOCl), canxi hypoclorit (Ca(OCl)2), clo dioxit (ClO2) hoặc một số dạng clo nằm trong các thành phần hữu cơ. Tất cả các dạng chlor trên khi hòa tan vào nước đều sinh ra sản phẩm chlor hoạt động, dạng chlor có hóa trị +1 (khác với chlor trong muối ăn NaCl có hóa trị -1) ví dụ : Cl2 + H2O " HOCl + HCl NaOCl + H2O " HOCl + NaOH Ca(OCl)2 + 2H2O " 2HOCl + Ca(OH)2 HOCl là axit hypocloro, một axit yếu có pKA = 7,5 Cl trong gốc OCl có hóa trị +1 và nó là chất oxy hóa khá mạnh và đồng thời là chất có khả năng khử trùng. Cơ chế khử trùng của chlor hoạt động là nó thấm vào màng tế bào của vi sinh vật, oxy hóa một số cơ quan trong đó, hủy hoại chức năng của các cơ quan và vi sinh vật sẽ chế. Khi trong nước có mặt ammonia thì sẽ xảy ra phản ứng tạo ra cloamin : NH3 + HOCl " NH2Cl + H2O NH2Cl + HOCl " NHCl2 + H2O NHCl2 + HOCl " NCl3 + H2O NH2Cl, NHCl2, NCl3, gọi là monoclomin, dicloamin và tricloamin. Sự hình thành cloamin nào phụ thuộc vào tỉ lệ giữa ammonia cà chlor. Khi tỉ lệ chlor và ammonia thấp (4:1) thì sản phẩm chủ yếu là monocloamin (NH2Cl), khi tỉ lệ này tăng lên thì xuất hiện dicloamin hay tricloamin. Khi tỉ lệ chlor/ammonia đạt giá trị 7,6 (trong thực tế là khoảng 10) xảy ra quá trình oxy hóa ammonia về dạng khí N2. NH3 + 3HOCl " N2 + 3H+ +3Cl- + H2O Tất cả các dạng cloamin được gọi là chlor liên kết, HOCl hay OCl- gọi là chlor tự do. Tính năng khử trùng của chlor liên kết thấp hơn so với chlor tự do. Tác hại của chlor đối với cá là chlor oxy hóa tế bào màng của cá. Quá trình oxy hóa gây ra kích thích, phá hủy và gây tổn thương tế bào mang cá, làm tăng quá trình tiết dịch nhầy, viêm màng, phình mang cá. Sự thay đổi cấu trúc mang cá sẽ làm giảm khả năng hô hấp của cá tăng mạnh. Cá có thể chết do giảm oxy trong máu. Khi tiếp xúc với các dạng cloamin, khả năng vận chuyển oxy của máu cũng giảm do thiếu oxy ở vùng mang cá. Cả chlor tự do và chlor liên kết đều là độc tố với tôm cá. Chlor tự do với nồng độ 0,028 đến 0,079 mg/l đã làm chết hầu hết các loại cá. Liều gây chết LC50–24h đối với cá mang xanh là 0,021 mg/l (27oC). Độc tính của chlor tự do biến động trong khoảng rộng, phụ thuộc vào dạng tồn tại của chlor, loại thủy động vật, thời gian tiếp xúc, nhiệt độ môi trường. Hợp chất của Nitơ Ammonium ( NH4+) và Ammonia (NH3) Trong ao hồ, ammonia xuất hiện như một sản phẩm do sự biến dưỡng của động vật trong nước cũng như từ sự phân hủy các chất hữu cơ với tác dụng của vi khuẩn. NH3 trong các ao hồ được hình thành từ quá trình phân hủy bình thường các protein, sản phẩm bài tiết của động vật hay từ phân bón vô cơ, hữu cơ. (NH4)2CO + 2H2O " (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 " 2NH3 + CO2 + H2O NH3 là khí độc đối với các loài thủy hải sản, khi tạo thành sẽ phản ứng với nước sinh ra ion NH4+ cho đến khi cân bằng được thiết lập. Tổng hàm lượng của NH3 và NH4+ gọi là tổng đạm amon (Total Ammonium Nitrogen – TAN). Tỉ lệ của NH3/TAN trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và pH (bảng 2.8). Khi nhiệt độ và pH trong nước gia tăng thì hàm lượng NH3 trong nước sẽ gia tăng và ngược lại. Bảng 2.8 : Tỉ lệ phần trăm của NH3/TAN theo nhiệt độ và pH pH Nhiệt độ (oC) 16 18 20 22 24 26 28 30 32 7,0 7,2 7,4 7,6 7,8 8,0 8,2 8,4 8,6 8,8 9,0 9,2 9,4 9,6 9,8 10,0 10,2 0,30 0,34 0,40 0,46 0,52 60,00 0,70 0,81 0,95 0,47 0,54 0,63 0,72 0,82 0,95 1,10 1,27 1,50 0,74 0,86 0,99 1,14 1,30 1,50 1,73 2,00 2,36 1,17 1,35 1,56 1,79 2,05 2,35 2,72 3,13 3,69 1,84 2,12 2,45 2,80 3,21 3,68 4,24 4,88 5,72 2,88 3,32 3,83 4,37 4,99 5,71 6,55 7,52 8,77 4,49 5,16 5,94 6,76 7,68 8,75 10,00 11,41 13,22 6,93 7,94 9,09 10,30 11,65 13,20 14,98 16,96 19,46 10,56 12,03 13,68 14,40 17,28 19,42 21,83 24,45 27,68 15,76 17,82 20,08 22,38 24,88 27,64 30,68 33,90 37,76 22,87 25,57 28,47 31,37 34,42 37,71 41,23 44,84 49,02 31,97 35,25 38,69 42,01 45,41 48,96 52,65 56,30 60,38 42,68 46,32 50,00 53,45 56,86 60,33 63,79 67,12 70,72 54,14 57,77 61,31 64,54 67,63 70,67 73,63 76,29 79,29 65,17 68,43 71,53 74,25 76,81 79,25 81,57 83,68 85,85 74,78 77,46 79,92 82,05 84,00 85,82 87,52 89,05 90,58 82,45 84,48 86,32 87,87 89,27 90,56 91,75 92,80 93,84 Khả năng chịu đựng NH3 của các loài thủy sản phụ thuộc vào các yếu tố môi trường khác: NH3 trở nên độc hơn khi nồng độ oxy hòa tan. Ví dụ, loại tôm nhỏ tiếp xúc với môi trường có nồng độ ammonium là 1,6 mg/l thì 90% sẽ chết khi nồng độ oxy hòa tan là 2,3 mg/l, khi nồng độ oxy hòa tan là 5,7 mg/l thì chỉ 33% bị chết. Tác hại của nồng độ oxy hòa tan thấp được bù trừ lại một phần trong ao hồ nuôi, vì khi nồng độ oxy hòa tan thấp là lúc nồng độ CO2 cao, khi nồng độ CO2 cao thì pH giảm, khi đó tỉ lệ NH3/TAN thấp – tức là giảm độc tính ammoina. Tác hại của ammonia cũng được hạn chế khi thủy động vật sống trong môi trường có độ muối tối ưu và nồng độ Ca cao. Độ độc của NH3 đối với một số loài giáp xác cũng đã được nghiên cứu, ở nồng độ 0,009 mg/l NH3 làm giảm sự sinh trưởng của tôm càng xanh (Macrobrachium rosenbergii) ổ nồng độ 0,45 mg/l làm giảm 50% sự sinh trưởng của các loài tôm he. Ngoài ra LC50 – 24h và LC50 – 96h của NH3 đối với tôm sú hậu ấu trùng (Penaeus monodon) là 5,17 mg/l và 1,26 mg/l (Chin và Chen, 1987). Nồng độ an toàn cho ao nuôi là 0,13 mg/l. do đó viêc theo dõi hàm lượng NH3 trong ao nuôi thủy sản là rất cần thiết để nâng cao năng suất nuôi. NH4+ trong nước rất cần thiết cho sự phát triển của các vinh vệt làm thức ăn tự nhiên nhưng nếu hàm lượng NH4+ quá cao sẽ làm cho thực vật phù du phát triển quá mức không có lợi cho tôm cá (thiếu oxy vào sáng sớm, pH dao động…). Theo Boyd (1990) hàm lượng NH4+ thích hợp cho ao nuôi thủy sản là 0,2 –2 mg/l. Nitrite ( NO2-) Trong ao hồ, nitrite được tạo thành từ quá trình oxy hóa ammonium và ammonia nhờ hoạt động của nhóm vi khuẩn Nitrosomonas theo phản ứng sau : NH4+ + 3/2 O2 " NO2- + 2H+ + H2O +76kcal Trong điều kiện không có oxy, nhiều loài vi sinh vật có thể sử dụng nitrate hay một dạng oxy hóa khác của nitrogen như một chất nhận điện tử trong quá trình hô hấp (thay vì oxy). Quá trình dị dưỡng này được gọi là khử nitrate hay hô hấp nitrate, khi đó nitrate bị khử thành nitrite, hyponitric, hydroxylamin, ammonia hay khí N2. 2HNO3 + H+ " HNO2 + H2O 2HNO2 + 4H+ " N2O2H2 + 2H2O N2O2H2 + NH+ " 2NH2OH 2NH2OH + 4H+ " 2NH3 + 2H2O N2O2H2 +2H+ " N2 + H2O N2O2H2 " N2O + H2O N2O + 2H+ " N2 + H2O Qúa trình này gọi là phản ứng nitrate hóa, các hợp chất trung gian trong quá trình chuyển hóa thường là những dạng độc nên không có lợi cho các loài thủy sản. Khi hàm lượng nitrite trong nước cao, nitrite sẽ kết hợp với hemoglobin tạo thành methemoglobin: Hb + NO2- " Met-Hb Trong phản ứng, Fe của hemoglobin bị oxy hóa từ Fe2+ thành Fe3+, kết quả là Fe không thể kết hợp với oxy (nitrite làm giảm hoạt tính của hemoglobin – gọi là thiếu máu). Máu có chứa methemoglobin thường có màu nâu nên gọi là “bệnh máu nâu”. Đối với các loài giáp xác, máu có chứa hemocyanin có Cu trong thành phần cấu tạo thay vì Fe như ở hemoglobin. Phản ứng giữa nitrite với hemocyanin chưa được nghiên cứu nhiều nhưng người ta cũng xác định rằng nitrite cũng gây độc cho giáp xác. Giá trị LC50 – 96h của nitrite đối với các loài giáp xác nước ngọt từ 8,5 – 14,5 mg/l. Sinh trưởng của tôm càng xanh giảm đáng kể khi nồng độ nitrate là 1,8 và 6,2 mg/l (Colt & Armstrong, 1979. Trích dẫn bởi Boyd, 1990). Ơû các thủy vực nước lợ có hàm lượng Ca2+ và Cl- có khuynh hướng làm giảm độc tính của nitrite (Crawford & Allen, 1977; Perron &Meade, 1977; Russo et al., 1981. Trích dẫn bởi Boyd, 1990). Giá trị LC50 – 24h và 96h của nitrite đối với tôm sú và hậu ấu trùng tôm sú là 204 mg/l và 45 mg/l (Chen và Chin, 1988). Nồng độ an toàn của nitrite đối với hậu ấu trùng tôm sú là 4,5 mg/l. Tuy nhiên nồng độ ammonia cao sẽ làm tăng tính độc của nitrite đối với tôm sú. Schwedler et al. (1985) những nhân tố sau có ảnh hưởng đến độ độc cuả nitrite : hàm lượng chloride, pH, hàm lượng oxy hòa tan, tình trạng dinh dưỡng… Nitrate (NO3-) Nitrate (NO3-) là hợp chất khá thông dụng trong môi trường nước tự nhiên cũng như trong các ao hồ nuôi thả. Trong các nguồn nước nitrate là sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hóa ammonia nhờ hoạt động của một số vi khuẩn hóa tự dưỡng như Nitrobacter (nước ngọt) hay Nitrosoprina, Nitrosococcus (nước lợ, mặn) NO2- + ½O2 " NO3- + 24kcal Nitrate là một dạng đạm được thực vật hấp thụ dễ nhất, không độc đối với các loài thủy sản. Hàm lượng nitrate cao không gây độc cho cá nhưng làm cho thực vật phù du nở hoa gây những biến đổi chất lượng nước sẽ không có lợi cho tôm nuôi. Yếu tố do vi sinh vật Là những vi sinh vật nhỏ bé không thể nhìn thấy hoặc khó nhìn thấy bằng mắt thường, có thể được chia ra thành 5 nhóm như sau : nhóm vi khuẩn (bacteria), nhóm bào tử nấm (fungi), nhóm tảo – thực vật phiêu sinh (algae), nhóm phiêu sinh động vật (zooplankton) và nhóm cuối là virus. Nhóm của các sinh vật nhỏ bé này có ý nghĩa quan trọng đối với hệ sinh thái trong ao nuôi đó là nhóm vi khuẩn và vi tảo. Thực vật phiêu sinh : là sinh vật sử dụng chất hữu cơ trong ao nuôi làm nuôi làm nguồn thức ăn. Ban ngày dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, tảo cần CO2 để làm nguyên liệu trong quá trình quang hợp, quá trình này sản xuất ra oxy. Nhưng khi không có ánh sáng hoặc vào ban đêm, tảo cần phải dùng oxy để hô hấp. Do đó hàm lượng oxy hòa tan dao động lớn : cao vào xế trưa và thấp khi gần sáng. Phiêu sinh nắm vai trò nền tảng cho hệ thống thực phẩm trong nước, giữa năng suất tôm cá và phiêu sinh vật có một sự liên hệ mật thiết. Mặt nước không có phiêu sinh vật là mặt nước chết về phương diện sản xuất. Tuy nhiên ao hồ nhiều phiêu sinh quá cũng gây nhiều bất lợi cho năng suất. Lượng phiêu sinh vật và loại phiêu sinh vật sẽ được thể hiện bởi độ đục và màu sắc của nước. Yếu tố chính yếu cần thiết cho sự tăng trưởng của phiêu sinh vật gồm : C, O2, H2, P, Ca, Cl2, S, Fe, Cu, Mg, Mn, Ca, Zn, Na, K, N, Bo, Co. P được coi là quan trọng hơn cả về phương diện dinh dưỡng cho tôm cá trong ao hồ và việc bón phân phospho sẽ có lợi nhiều cho phiêu sinh cũng như tôm cá. CHƯƠNG 3 : TỔNG QUAN VỀ QÚA TRÌNH CHUYỂN HÓA NH3 VÀ VI KHUẨN KIỂM SOÁT NH3 TRONG NƯỚC NUÔI TÔM Qúa trình chuyển hóa NH3 trong nước Chu trình nitơ trong ao hồ Chu trình Nitơ là một trong những mô hình tuần hoàn vô hình mà quan trọng nhất đối với môi trường thủy sinh. Tôm và các sinh vật trong quá trình sinh sống thải ra NH3 mà nếu ở nồng độ cao sẽ gây độc. Chu trình Nitơ chính là giải pháp mà trong đó các vi khuẩn có ích giúp chuyển hóa các chất độc thành những chất có ích cho rong rêu và các loài thủy sản có thể sống được. Quá trình hô hấp. Quá trình bài tiết Thực vật chết Thức ăn dư Thực vật Amonia Nitrite Nitrate Vi khuẩn kỵ khí Khí độc Hình 3.1 : Chu trình nitơ trong ao hồ nuôi Quá trình amon hoá Là quá trình phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các chất hữu cơ đơn giản (NH4+ hoặc NH3) dưới sự hiện diện của vi sinh vật. Dưới tác dụng của enzyme phân hủy protein (protease) sẽ phân hủy protein thành các chất đơn giản hơn, các chất này tiếu tục được phân giải thành acid amin nhờ tác dụng của enzyme peptidase ngoại bào. Một phần nhỏ acid amin sẽ được vi sinh vật sử dụng để tổng hơp thành protein của chúng, phần còn lại được tiếp tục phân giải tạo ra NH3, CO2, H2S (nếu các acid amin có chứa S) và các sản phẩm trung gian khác. Hấp thụ amoniac trong bùn Bùn trong các ao hồ chủ yếu là các loại khoáng sét vô cơ và các loại mùn hữu cơ. Khả năng hấp thụ ammonia của bùn rất yếu, tuy nhiên khả năng này có thể hạn chế sự ngấm xuống đất và ammonia được hoàn trả lại vào nước khi các hạt bùn được phân tán vào nước. Tuy nhiên khả năng xử lý ammonia lại không đạt hiệu quả cao đối với các ao hồ có nồng độ ammonia cao. Qúa trình nitrate hoá Dưới tác dụng của một số vi sinh thì NH3 đước hình thành do quá trình amon hóa sẽ được tiếp tục chuyển hóa thành NO2- rồi thành NO3-. Trước hết NH3 được chuyển hóa thành NO2- bởi Nitrosomonas, sau đó Nitrobacter sử dụng men nitrite oxidase để chuyển hóa NO2- thành NO3-. NO3- có thể được các cây thủy sinh sử dụng như là một nguồn dinh dưỡng hoặc có thể được chuyển hóa tiếp thành khí nitơ (N2) qua hoạt động của các vi khuẩn yếm khí như Pseudomonas. Các quá trình chuyển hóa NH3 đều cần có sự tham gia của oxy và độ kiềm của nước NH4+ + 3/2O2 " NO2 + 2H+ +H2O O2 + ½O2 " NO3 Quá trình nitrate hóa xảy ra trong điều kiện khi trong nước có đầy đủ oxy, lúc đó nồng độ nitrite không vượt quá 0,5 mg/l, nhưng khi trong nước thiếu oxy thì nitrite sẽ tồn tại nhiều và gây độc cho tôm. Trong một số nghiên cứu thì quá trình nitrate hóa trong cao ao hồ nuôi thủy sản xảy ra không mạnh do vi sinh vật phát triển chậm, khả năng nitrate hóa khoảng 25 – 50 g/m3 ngày. Quá trình khử nitrate Khử nitrate là quá trình khử nitơ dạng hóa trị dương (dạng oxit nitơ NO3, NO2, NO, N2O) về hóa trị bằng 0 là khí nitơ. Quá trình này có sự tham gia của chủng vi khuẩn dị dưỡng. NO3- " NO2 " NO " N2O " N2 Để quá trình khử xảy ra thì trng môi trường cần phải có ít oxy và một lượng chất hữu cơ nhất định. Do đó quá trình này thường xảy ra ở lớp bùn ở đáy ao và phải có điều kiện tối ưu như nhiệt độ là 25 – 35oC và pH = 6 – 8. Kiểm soát NH3 nhờ vi sinh vật Vi sinh vật kiểm soát NH3 Hầu hết các vi sinh vật có khả năng kiểm sóat NH3 chủ yếu là các vi khuẩn tham gia vào qúa trình chuyển hóa hợp chất nitơ. Cụ thể là nhờ vào quá trình nitrate hóa, các vi khuẩn sẽ chuyển hóa NH3 thành dạng NO3- sẽ làm giảm chất độc trong môi trường nước. Quá trình này gồm 2 giai đoạn được thực hiện bởi hai nhóm vi khuẩn nối tiếp nhau : Giai đoạn nitrite hóa : chuyển hóa NH4+ thành nitrie (NO2-) bởi nhóm vi khuẩn nitrite hóa. Giai đoạn nitrate hóa : chuyển hóa nitrite thành nitrate bởi nhóm vi khuẩn nitrate hóa. Hai nhóm vi khuẩn này có mối quan hệ mật thiết với nhau. Chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên : môi trường đất, nước. Môi trường thích hợp cho cả 2 loài này là có pH > 6. Vi khuẩn tham gia mạnh nhất trong quá trình nitrite hóa là vi khuẩn tự dưỡng hóa năng vô cơ và là loài hiếu khí bắt buộc. Khi chúng chuyển hóa ammonium thành nitrite sẽ sinh ra năng lượng, năng lượng này sẽ được các vi khuẩn nitrite sử dụng cho hoạt động sống của mình. Sự có mặt của nhóm vi khuẩn nitrite hóa giúp loại bỏ được ammonium trong nước nuôi tôm, làm giảm độ độc của nước đối với tôm. Trong tự nhiên vi khuẩn nitrite hóa rất nhiều : Nitrosococcuseanus, Nitrosococcus halophila (thuộc phân lớp - proteobacteria ), Nitrosomonas sp. và Nitrosopira sp. (thuộc phân lớp - proteobacteria), Nitrosocystis, Nitrosolobus. Tất cả các vi sinh này đều giống nhau về mặt sinh lý, sinh hóa nhưng khác nhau về đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào. Tất cả đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, không có khả năng sống trên môi trường thạch. Bởi vậy phân lập chúng rất khó, phải dùng silicagen thay cho thạch. Nhưng chỉ có Nitrosomonas được ứng dụng nhiều nhất trong giai đoạn nitrite hóa. Ngoài Nitrosomonas còn có một số loài vi khuẩn điển hình thuộc nhóm vi khuẩn nitrite hóa tự dưỡng (bảng 3.1): Bảng 3.1 : Đặc điểm cuả một số vi khuẩn điển hình thuộc nhóm nitrite hoá Loài vi khuẩn Đặc điểm tế bào Hình thức sinh sản Hình thức chuyển động to và pH cho sinh trưởng Nơi sống Nitrosomonas europaea Hình que 0,8 – 2,2 Phân đôi Bằng đơn mao 5 – 40OC pH = 5,8– 9,5 Đất, nước ngọt, biển Nitrosococcus oceanus Hình cầu 1,8 – 2,2 Phân đôi Bằng đơn mao 25 – 30OC pH = 7,5 – 8 Biển Nitrosococcus nitrosus Hình cầu 1,8 – 2,2 Phân đôi Không di động 20 -30OC pH = 6,5 – 8 Đất Nitrosococcus mobillis Hình cầu 1,5 – 2,7 Phân đôi Bằng đơn mao hoặc chùm mao 15 – 30OC pH = 6,5 -8,2 Nước lợ Nitrosospria briensis Hình xoắn 0,3 – 0,4 Phân đôi Chuyển động chu mao 20 – 30OC pH = 7 – 8 Đất Sau quá trình nitrite hóa thì ammoium được chuyển hóa thành nitrite, các vi khuẩn thuộc nhóm nitrate hóa sẽ thực hiện giai đoạn tiếp theo, chuyển hóa nitrite thành nitrate (là sản phẩm cuối của quá trình nitrate hóa). Các vi khuẩn tham gia vào quá trình nitrate hóa là vi khuẩn tự dưỡng hóa năng vô cơ, vi khuẩn nitrate hóa thường gặp (gồm có 3 chi khác nhau) : Nitrobacter vinogradskii, Nitrobacter agilis ( thuộc phân lớp - Proteobacteria) là những trực khuẩn thẳng, mảnh, đôi khi có dạng hình cầu, không di động và tạo thành những tập đoàn khuẩn keo, Nitrospina gracili, Nitrococcus mobilis ( thuộc phân lớp – proteobacteria) tế bào dạng cầu, có tiên mao. Chi Nitrobacter được ứng dụng nhiều nhất. Bảng 3.2 : Đặc điểm cuả một số vi khuẩn điển hình thuộc nhóm vi khuẩn nitrate hoá tự dường ( Bergey, 1994) Loài vi khuẩn Đặc điểm tế bào Hình thức sinh sản Topt và pHopt cho sinh trương Nơi sống Nitrobacter vinogradskii Hình que 0,6 – 0,8 x 1 – 2 Đơn mao Mọc chồi 20 - 30OC pH = 7 – 8 Đất, nước ngọt, biển Nitrococcus mobilis Hình cầu 1,5 – 1,7 Đơn mao Phân đôi 20 – 30OC pH = 7 – 8 Biển Nitrospira sp. Hình xoắn 0,6 – 0,8 x 1,2 – 2 Phân đôi 20 – 30OC pH = 6,5 – 8 Biển Các giống vi khuẩn tham gia vào quá trình nitrate hóa được gọi là vi khuẩn nitrate hóa. Ngoài Nitrosomonas và Nitrobacter được nghiên cứu và sử dụng nhiều nhất thì còn có một số loài cũng có khả năng nitrate hóa : Alcaligenes, Anthrobacter, Corynebacterium, Achromobacter, Pseudomonas… Vi khuẩn Nitrosomonas Lịch sử phát hiện Vi khuẩn Nitrsomonas là loại vi khuẩn oxy hoá ammonium (Ammonium oxidizing bacteria - AOB). Chúng đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hoá ammonium thành nitrite trong điều kiện hiếu khí. Đã được các nhà khoa học phát hiện và phân vào lớp – Proteobacteria (Woese và ctv - 1984, 1985 ; Head và ctv -1993 ; Teske và ctv – 1994; Utaker và ctv – 1995 ; Purkhold và ctv -2000). Phân loại Về mặt phân loại học, các nhà khoa học đã xếp Nitrsomonas như sau : Giới : Bacteria Ngành : Proteobacteria Lớp : – Proteobacteria Bộ : Nitrosomonadales Họ : Nitrosomonadaceae Giống : Nitrosomonas Trong quá trình nghiên cứu, đến nay các nhà khoa học đã xác định 10 loài của Nitrosomonas bao gồm : N.europaea, N.eutropha, N.halophila, N.communis, N.marina, N.aestuarii, N.nitrosa, N.oligotropha, N.cryotolerans, N.ureae. a b Hình 3.2 : Vi khuẩn Nitrosomonas europea khi quan sát dưới kính hiển vi quang học (a) và kính hiển vi điện tử (b) Sự có mặt của nhiều loài đã được chỉ ra bằng sự khác nhau giữa những thí nghiệm di truyền DNA. Sự khác biệt đặc trưng giữa các loài này là lượng G+C có trong DNA, hình dạng và kích thước của tế bào, sự có mặt của các hợp chất carboxyl và protein tế bào. Đại diện cho sự khác biệt giữa các loài của Nitrosomonas được làm rõ qua sự khác nhau giữa N.crytolerans và N.europaea (bảng 3.3 ) Bảng 3.3 : Sự khác nhau giữa các loài của giống Nitrosomonas Loài Đặc trưng N.crytolerans N.europaea Kich thước () 1,2 – 2,2 x 2,0 - 4,0 0,8 – 1,1 x 1,0 – 1,7 Di động Không Không Sử dụng ure Có Không Lượng muối yêu cầu NaCl 2% Không Nhiệt độ sống thấp nhất -5oC +5oC Phân bố Biển Đất và nước ngọt Đặc điểm hình thái Nitrosomonas là vi khuẩn Gram âm, không sinh nội bào tử, tế bào nhỏ bé hình cầu hay ovan, di động hoặc không di động, một số loài di động bằng tiên mao ở đầu cực, đứng riêng lẻ, thành đội hay thành chuỗi. Chúng phân bố rộng rãi trong nước, đất. Nitrosomonas là vi khuẩn kị ánh sáng, thường kết thành khối gọi là tập đoàn khuẩn keo (hình 3.3) Hình 3.3 : Vi khuẩn Nitrosomonas Biên nhiệt độ phát triển là 5 – 30oC, thích hợp trong khoảng 20 – 30oC. Có thể chịu đựng pH từ 5,8 – 8,5. Theo nghiên cứu của K. Vijaya Bhaskar (2005) nhiđệt độ tối ưu chp sự tăng trưởng của vi khuẩn Nitrosomonas là 30oC. Tỷ lệ tăng trưởng giảm gần 50% tại 20oC và 40oC (hình 3.4). Vi khuẩn phát triển mạnh ở pH8. Tại pH là 4,6 và 10 tỷ lệ tăng trưởng giảm 50% (hình 3.5) Hình 3.4: Aûnh hưởng của nhiệt độ lên sự tăng trưởng của Nitrosomonas Hình 3.5 :A