Vi sinh vật thường được đo bằng micromet, virut thậm chí được đo bằng nm (nanomet). Vì vi sinh vật có kích thước nhỏ bé cho nên diện tích bề mặt của 1 tập đoàn vi sinh vật hết sức lớn.

Hấp thụ nhiều, chuyển hóa nhanh:

Năng lực hấp thu và chuyển hóa của chúng có thể vượt xa các sinh vật bậc cao. Chẳng hạn vi khuẩn lactic trong 1 giờ có thể phân giải 1 lượng đường lactoza nặng hơn 1000 – 10000 lần khối lượng của chúng. Năng lực chuyển hóa hóa sinh mạnh mẽ của vi sinh vật dẫn đến những tác dụng hết sức lớn của chúng trong thiên nhiên cũng như trong hoạt động sống của con người.

Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh:

Vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng và sinh sôi nảy nở rất lớn.

VD: Vi khuẩn Escherichia coli trong các điều kiện thích hợp cứ khoảng 12 – 20 phút lại phân cắt 1 lần. Nếu lấy thời gian thế hệ là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, 24 giờ phân cắt 72 lần, từ 1 tế bào ban đầu sẽ sinh ra 4.722.366.500.000.000.000.000 tế bào (nặng 4711 tấn).

Năng lực thích ứng mạnh mẽ và dễ phát sinh biến dị:

Trong quá trình tiến hóa lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hòa trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống bất lợi. Số lượng enzim thích ứng chiếm tới 10% lượng chứa protein trong tế bào vi sinh vật.

Vi sinh vật rất dễ phát sinh biến dị vì thường là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống. Tần số biến dị thường ở mức 10^-5 – 10^-10.

Câu 2: Trình bày sự phân bố của vi sinh vật trong tự nhiên.

Hệ vi sinh vật trong không khí.

* Không khí không phải là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển vì:

– Không khí rất nghèo dinh dưỡng, thậm chí có chất còn là chất độc cho vi sinh vật.

– Không khí luôn bị ánh sáng mặt trời và các tia bức xạ chiếu làm tiêu diệt vi sinh vật.

– Độ ẩm trong không khí luôn thay đổi và không thích hợp cho vi sinh vật tồn tại và phát triển.

– Thành phần định tính và định lượng của VSV trong không khí thay đổi theo từng vùng, theo điều kiện khí hậu của các mùa trong năm và còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác của môi trường.

– Thành phần VSV trong không khí rất đa dạng với hơn 100 loại VSV hoại sinh khác bao gồm cả cầu khuẩn, trực khuẩn,… Ngoài ra còn có thể gặp 1 số VSV gây bệnh chịu được sự khô hạn như vi khuẩn lao, vi khuẩn bạch hầu.

* Biện pháp:

– Cách ly sản phẩm, vật liệu dễ nhiễm bẩn với không khí.

– Làm thoáng không khí của phòng chế biến, bảo quản.

– Khử trùng không khí trước khi thải và trong quá trình xử lý hiếu khí.

– Tránh tiếp xúc với người bệnh trong quá trình sản xuất, bảo quản.

Hệ VSV trong đất.

Thành phần định tính và định lượng của VSV trong đất rất đa dạng do đất là môi trường sống rất tốt cho VSV:

– Thức ăn vô cơ, hữu cơ từ các xác động vật, thực vật chết và từ phân bón.

– Lượng nước trong đất thỏa mãn cho sự sinh trưởng cho VSV vì nước trong đất lại là dung dịch muối loãng có nhiều thức ăn tổng hợp.

– Các điều kiện khác trong đất như N₂, O₂, pH, t° đều đảm bảo cho các VSV phát triển.

– VSV đặc biệt nhiều ở lớp đất sâu khoảng 1 – 125 cm. Ở lớp trên có nhiều VSV hiếu khí phân giải mạnh mẽ các lớp chất hữu cơ. Càng xuống sâu càng ít VSV và chủ yếu là loại hỗn hợp yếu khí.

– Thành phần VSV đất rất nhiều: vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn, tảo, nguyên sinh động vật trong đó nhiều nhất là các vi khuẩn gây thối rữa, vi khuẩn lên men byrutic, vi khuẩn phân giải xenluloza, vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn phản nitrat hóa,…

– VSV đất có tầm quan trọng lớn trong nông nghiệp. Nhờ các VSV, các chất hữu cơ sẽ được vô cơ hóa làm cho cây sử dụng được. VSV trong đất còn có tác dụng quan trọng trong việc tạo chất mùn, cố định N₂ tự do hoặc cộng sinh làm giàu thêm nitơ trong đất.

Hệ VSV trong môi trường nước.

– Nước nguyên chất không phải là môi trường thuận lợi cho VSV phát triển vì nó là môi trường nghèo dinh dưỡng. Tuy nhiên vì nước luôn hòa tan các chất hữu cơ và muối khoáng khác nhau nên VSV lại có điều kiện phát triển.

– Sự phát triển của VSV trong nước phụ thuộc vào t°, pH, nồng độ O₂ trong môi trường và nồng độ các chất hòa tan trong môi trường, trong đó quan trọng hơn cả là lượng các chất dinh dưỡng của VSV có trong nước.

Câu 3: Quá trình hô hấp là gì? Các kiểu hô hấp của vi sinh vật.

– Bản chất của quá trình hô hấp:

+ Hô hấp là quá trình oxi hóa các chất hữu cơ để làm nguồn thu năng lượng cho VSV.

Hô hấp hiếu khí: chấp nhận điện tử cuối cùng là oxy phân tử.
Hô hấp yếm khí (kị khí): chất hữu cơ vừa làm nhiệm vụ cho, vừa là chất nhận điện tử cuối cùng.
Hô hấp tùy tiện

+ Quá trình hô hấp có sự tham gia của nhiều hệ enzim phức tạp.

– Các kiểu hô hấp:

+ VSV hô hấp hiếu khí:

Là những loài VSV sử dụng ôxy tự do làm chất nhận hidro cuối cùng trong hầu hết các trường hợp, nguyên liệu hô hấp là glucid nhưng chúng cũng có thể sử dụng các hợp chất hữu cơ khác như lipid, protid, rượu,…

Trường hợp oxy hóa hoàn toàn glucid.
Trường hợp oxy hóa không hoàn toàn glucid thì năng lượng thu được ít hơn chỉ bằng 25% của năng lượng này, phần năng lượng còn lại là ở những hợp chất hữu cơ trung gian.
Trường hợp oxy hóa 1 số hợp chất hữu cơ khác cũng có thể tạo thành những hợp chất hữu cơ trung gian hoặc đi tới cùng.

Những quá trình oxy hóa được thực hiện do hô hấp hiếu khí của sinh vật được sử dụng trong ngành công nghiệp lên men để sản xuất các chất như acid acetic, aceton,…

+ VSV hô hấp yếm khí:

Là những VSV hô hấp không cần oxy, hơn nữa oxy lại là chất độc đối với chúng. Ví dụ như quá trình lên men lactic, chấp nhận hidro cuối cùng là acid lactic,… Những quá trình lên men như thế được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp hóa học và công nghiệp thực phẩm.

+ VSV hô hấp tùy tiện:

Là những VSV có thể hô hấp yếm khí hoặc hô hấp hiếu khí tùy thuộc sự có mặt hay không của oxy tự do.

Câu 4: Trung tâm hoạt động của enzim là gì? Cơ chế tương tác của enzim và cơ chất.

– Trung tâm hoạt động của enzyme:

+ Trung tâm hoạt động của enzyme là phần của phân tử enzyme trực tiếp kết hợp với cơ chất, tham gia trực tiếp trong việc tạo thành và chuyển hóa phức chất trung gian giữa enzyme và cơ chất để tạo thành sản phẩm phản ứng.

+ Ở các enzyme 1 thành phần, trung tâm hoạt động thường bao gồm 1 tổ hợp các nhóm chức năng của amino acid không tham gia tạo thành trục chính của sợi polypeptid. Các nhóm này có thể ở xa nhau trong mạch polypeptid nhưng lại ở gần nhau trong không gian, được định hướng xác định cách nhau những khoảng cách nhất định sao cho chúng có thể tương tác với nhau trong quá trình xúc tác.

+ Ở các enzyme 2 thành phần, trung tâm hoạt động bao gồm nhóm ngoại (vitamin, ion, kim loại,…) và các nhóm chức năng của acid amin ở phần apoenzyme.

+ Trong các nhóm chức ham gia tạo trung tâm hoạt động cần phân biệt 2 nhóm: “tâm xúc tác” (tham gia trực tiếp vào hoạt động xúc tác của enzyme) và “miền xúc tác” (giúp enzyme kết hợp đặc hiệu với cơ chất).

+ 1 enzyme có thể có 2 hay nhiều trung tâm hoạt động, tác dụng của các trung tâm hoạt động không phụ thuộc vào nhau.

– Cơ chế tương tác của enzyme và cơ chất:

+ Sự tương ứng về cấu hình không gian giữa trung tâm hoạt động và cơ chất được hình thành trong quá trình enzyme tiếp xúc với cơ chất.

+ Giữa trung tâm hoạt động và cơ chất tạo thành nhiều tương tác yếu, do đó dễ dàng bị cắt đứt trong quá trình phản ứng dể giải phóng enzyme và các sản phẩm phản ứng.

+ 1 số enzyme có trung tâm hoạt động tồn tại dưới dạng chưa dược hoạt hóa được gọi zimogen hoặc proenzyme. Cơ chế hoạt hóa dựa trên sự phá vỡ 1 sự liên kết peptid trong phân tử zimogen. Kết quả là loại bỏ đi 1 vài đoạn đoạn peptid có tác dụng kìm hãm trung tâm hoạt động của enzyme, đôi khi sự hoạt hóa kèm theo sự sắp xếp lại các nhóm trong nội tại phân tử enzyme dẫn tới sự hình thành trung tâm hoạt động ở trạng thái hoạt hóa.

Câu 5: Trình bày quá trình nitrat hóa.

Quá trình oxy hóa muối amon thành nitrat gọi là quá trình nitrat hóa.

* Cơ chế phản ứng:

Quá trình nitrat hóa xảy ra trong tự nhiên gồm có 2 giai đoạn:

– Oxy hóa muối amon thành nitrit:

2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2H₂O + 158 kcal

Thực ra quá trình có qua nhiều dạng trung gian, NH3 mất H và nhận O2 dần dần:

NH₃ → NH₂OH → HNO → HN(OH)₂ → HNO₂

– Oxy hóa nitrit thành nitrat:

2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃ + 48 kcal.

* Tác nhân VSV.

Quá trình nitrat hóa gồm 2 giai đoạn được thực hiện do 2 loài vi khuẩn khác nhau:

– Vi khuẩn oxy hóa muối amon thành nitrit:

+ Nitrosomonas: Vi khuẩn hình cầu hoặc bầu dục, là vi khuẩn Gram (-), không có khả năng sinh bào tử.

+ Nitrosospira: trực khuẩn dấu phảy, di động được nhờ 1 tiên mao, có thể biến dạng được.

– Vi khuẩn oxy hóa nitrit thành nitrat:

Nitrobacter: là trực khuẩn Gram (-) có kích thước nhỏ, không sinh bào tử. Các loài vi khuẩn nitrat hóa có thể sử dụng được CO₂ làm nguồn thức ăn C. Chúng không cần các hợp chất hữu cơ có sẵn mà hợp chất hữu cơ còn làm ức chế sự phát triển của chúng.

* Ứng dụng của quá trình nitrat hóa.

Đối với công nghiệp thực phẩm quá trình này không chiếm phần quan trọng như trong nông nghiệp, vì nitơ là thức ăn tốt nhất cho cây. Do khả năng dinh dưỡng vô cơ nên vi khuẩn nitrat có thể sống được ở những chỗ tưởng chừng như không có thể có sự sống như đá granit, núi đá,…

Câu 6: Trình bày quá trình phản nitrat hóa.

Quá trình phản nitrat hóa trực tiếp

– Cơ chế phản ứng:

Quá trình phản nitrat hóa trực tiếp xảy ra dưới tác dụng của VSV, có thể có 3 trường hợp:

+ Khử acid nitric thành acid nitơ (Khử NO₃^– thành NO₂^– ):

HNO₃ + 2H → HNO₂ + H₂O

+ KHử nitrat (NO₃^– ) đến NH₃:

HNO₃ HNO₂ + H₂O HNO + H₂O NH₂OH NH₄OH NH₃ + H₂O

+ Khử nitrat thành nitơ N₂:

Điều này chỉ xảy ra khi trong nguyên liệu có C₆H₁₂O₆ và trong điều kiện kỵ khí hoàn toàn. Khi đó C₆H₁₂O₆ phân hủy tạo thành năng lượng H₂, VSV sẽ dùng năng lượng này và H₂ để khử NO₃thành nitơ tự do.

2NO₃^– + 12H → 6H₂O + N₂

– Tác nhân VSV:

Vi khuẩn gây nên quá trình phản ứng nitrat hóa trực tiếp gồm rất nhiều loại và hoạt động mạnh nhất là: Chromobacterium denitrificans; Pseudomonas fluorescens; Achmobacter stutzeri; Bacterium pyocyaneum.

Chúng là những trực khuẩn chuyển động mạnh, không có bào tử, dinh dưỡng hữu cơ và hô hấp tùy tiện. Trong điều kiện thoáng khí chúng dùng CO₂ làm chấp nhận hidro cuối cùng, trong điều kiện yếm khí chúng sử dụng nitrat làm nhiệm vụ này.

– Ứng dụng của quá trình:

Trong nông nghiệp, quá trình phản nitrat hóa làm tổn thất đáng kể lượng thức ăn trong đất làm thiệt hại cho sản xuất nông nghiệp.

Trong công nghiệp, quá trình khử nitrat đến nitrit có tác dụng trong sản xuất các sản phẩm thịt, làm sườn,… Màu đỏ hồng của các sản phẩm này là do hợp chất của nitrit với 1 chất màu của thịt là mioglobin. Để tạo thành hợp chất đó người ta cho nitrat hoặc nitrit vào thịt băm hoặc nước muối. Trong trường hợp dùng nitrat, thì đầu tiên nitrat được vi khuẩn khử thành nitrit, sau đó nitrit kết hợp với mioglobin trong thịt tạo nên màu đỏ hồng của sản phẩm.

Quá trình phản nitrat hóa gián tiếp

VSV chỉ tham gia giai đoạn đầu khử NO₃^– thành NO₂^–, giai đoạn cuối cùng từ NO₂^– thành N₂ do các phản ứng hóa học thuần túy giữa HNO₂ và acid amin:

R-CO-NH₂ + O=N-OH → R-COOH + N₂ + H₂O

NH₄Cl + HNO₂ → N₂ + HCl + H₂O

R-NH₂ + HNO₂ → R-OH + N₂ + H₂O

Trong quá trình này vi khuẩn chỉ tác dụng gián tiếp là làm cho hình thành acid nitơ, các acid amin và các amino.

Đối với nông nghiệp quá trình phản nitrat hóa gián tiếp không có tầm quan trọng lớn lắm vì với tác dụng này phải tiến hành trong môi trường axit mà hầu hết đất trồng trọt là có phản ứng kiềm.

Câu 7: Nước thải là gì? Phân loại nước thải.

– Nước thải là nước đã qua sử dụng vào các mục đích như sinh hoạt, dịch vụ, tưới tiêu thủy lợi, chế biến công nghiệp, chăn nuôi,…

– Phân loại nước thải:

Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng. Với cách phân loại này nước thải được chia thành:

+ Nước thải sinh hoạt: là nước thải từ khu dân cư bao gồm nước sau khi sử dụng từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan, khu vui chơi giải trí.

+ Nước thải công nghiệp: nước thải từ các xí nghiệp sản xuất công nghiệp, thủ công nghiệp, giao thông vận tải.

+ Nước thấm qua: là nước thấm vào hệ thống ống bằng nhiều cách khác nhau, qua lớp khớp nối, các ống có khuyết tật hoặc thành của hố ga hay hố xí.

+ Nước thải tự nhiên: nước mưa được xem là nước thải tự nhiên.

+ Nước thải đô thị: chất lỏng trong hệ thống cống thoát nước thải của thành phố.

Câu 8: Chất thải rắn là gì? Nguồn phát sinh chất thải rắn.

– Chất thải rắn là chất thải ở dạng rắn hoặc dạng bùn là các chất được thải ra trong sinh hoạt, trong quá trình sản xuất, dịch vụ hoặc trong các hoạt động khác.

– Nguồn phát sinh chất thải rắn:

Chất thải rắn phát sinh chủ yếu từ các nguồn sau:

+ Từ khu dân cư: bao gồm các hộ dân cư tập trung, những hộ dân cư tách rời. Nguồn rác thải chủ yếu là: thực phẩm dư thừa, thủy tinh, gỗ, nhựa, cao su,… , còn có 1 số chất thải nguy hại.

+ Từ các hoạt động thương mại: quầy hàng, nhà hàng, chợ, khách sạn,… Các nguồn thải có thành phần tương tự như đối với các khu dân cư (thực phẩm, giấy,…).

+ Các cơ quan, công sở: trường học, bệnh viện, các cơ quan hành chính: lượng rác thải tương tự như đối với rác thải dân cư và các hoạt động thương mại nhưng khối lượng ít hơn.

+ Từ xây dựng: từ các hoạt động xây dựng mới nhà của, cầu cống, sửa chữa đường xá, dỡ bỏ các công trình cũ. Chất thải mang đặc trưng riêng trong xây dựng: sắt thép vụn, gạch vỡ, cát sỏi, bê tông, các vôi vữa, xi măng, các đồ dùng cũ không dùng nữa.

+ Dịch vụ công cộng, khu vui chơi: vệ sinh đường xá, chỉnh tu các công viên, bãi biển,… Rác thải bao gồm cỏ rác, rác thải từ việc trang trí đường phố, rác sinh hoạt.

+ Các quá trình xử lý nước thải: từ quá trình xử lý nước thải, các quá trình xử lý trong công nghiệp. Nguồn thải là bùn,…

+ Từ các hoạt động sản xuất công nghiệp: bao gồm chất thải phát sinh từ các hoạt động sản xuất công nghiệp và tiểu thủ công, quá trình đốt nhiên liệu, bao bì đóng gói sản phẩm,… Chất thải bao gồm các chất thải rắn công nghiệp như: xỉ, bụi, bùn, bã thải trong quá trình sản xuất. Nguồn chất thải còn bao gồm 1 phần từ sinh hoạt của nhân viên hoạt động.

+ Từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp: nguồn chất thải chủ yếu từ các cánh đồng sau mùa vụ, các trang trại, các vườn cây,… Rác thải chủ yếu là thực phẩm dư thừa, phân gia súc, rác nông nghiệp, các chất thải ra từ trồng trọt, từ quá trình thu hoạch sản phẩm, chế biến các sản phẩm nông nghiệp, bao bì thuốc trừ sâu, phân bón,…