BÀI 2: TRAO ĐỔI CHẤT Ở VI SINH VẬT

Trao đổi chất là tập hợp các quá trình hóa sinh diễn ra trong tế bào vi sinh vật (VSV) nhằm mục đích: sinh năng lượng (dị hóa) và tổng hợp các chất của tế bào (đồng hóa). Trong công nghệ môi trường, chúng ta tập trung vào hai hình thức trao đổi chất chính dựa trên nhu cầu oxy.

1. Trao đổi chất ở vi sinh vật hiếu khí (Aerobic Metabolism)

Đây là quá trình VSV sử dụng oxy tự do ($O_2$) làm chất nhận điện tử cuối cùng trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ.

• Cơ chế:

  • Quá trình dị hóa (Oxy hóa): Chất hữu cơ + $O_2$ $\xrightarrow{VSV}$ $CO_2$ + $H_2O$ + Năng lượng (ATP).

  • Quá trình đồng hóa (Tổng hợp): Chất hữu cơ + $O_2$ + N, P $\xrightarrow{VSV}$ Tế bào mới (Sinh khối).

• Đặc điểm:

  • Tốc độ sinh trưởng của VSV rất nhanh.

  • Năng lượng giải phóng lớn, hiệu suất xử lý chất hữu cơ (COD, BOD) cao.

  • Không sinh ra các khí có mùi hôi.

• Ứng dụng thực tế: Được ứng dụng trong các bể bùn hoạt tính hiếu khí (Aerotank), bể lọc sinh học, mương oxy hóa tại các trạm xử lý nước thải.

• Yêu cầu vận hành: Phải cung cấp oxy liên tục (thông qua máy nén khí hoặc máy sục khí bề mặt) với nồng độ oxy hòa tan (DO) duy trì từ $2-4 mg/L$.

[Image: Aerobic respiration process showing organic matter and oxygen converting to CO2, water, and biomass]

2. Trao đổi chất ở vi sinh vật kỵ khí (Anaerobic Metabolism)

Đây là quá trình VSV phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện hoàn toàn không có oxy tự do ($O_2$). Chất nhận điện tử cuối cùng là các hợp chất vô cơ ($NO_3^-$, $SO_4^{2-}$, $CO_3^{2-}$) hoặc chính các chất hữu cơ trung gian.

• Cơ chế: Diễn ra qua 4 giai đoạn chính:

  1. Thủy phân: Cắt các mạch polymer lớn (Protein, Lipid, Glucid) thành các đơn phân nhỏ hơn.

  2. Acid hóa (Lên men): Chuyển hóa các đơn phân thành các acid béo bay hơi (VFA), rượu, $H_2$, $CO_2$.

  3. Acetate hóa: Chuyển hóa các sản phẩm ở giai đoạn 2 thành Acid Acetic ($CH_3COOH$).

  4. Methane hóa: Nhóm VSV Archaea chuyển hóa Acetate và $H_2$ thành khí Methane ($CH_4$).

• Đặc điểm:

  • Tốc độ sinh trưởng của VSV kỵ khí chậm hơn nhiều so với hiếu khí.

  • Sản phẩm cuối cùng bao gồm khí sinh học (Biogas: $CH_4$, $CO_2$) và các khí có mùi ($H_2S$, $NH_3$).

  • Năng lượng giải phóng thấp nhưng có khả năng xử lý nước thải có nồng độ ô nhiễm rất cao.

• Ứng dụng thực tế: Ứng dụng trong các bể kỵ khí dòng chảy ngược (UASB), bể tự hoại, hầm Biogas hoặc các bể xử lý bùn kỵ khí.

• Yêu cầu vận hành: Kiểm soát chặt chẽ pH (tốt nhất từ $6.8 - 7.2$) và nhiệt độ để tránh hiện tượng "chua" bể (tích tụ acid).