VI SINH VẬT TRONG NƯỚC

PGs.Ts. NGUYỄN HỮU HIỆPViện NC&PT Công nghệ Sinh họcĐại họ Cần Thơ

Giáo trình Vi sinh vật môi trường

2012

CHƯƠNG 4

Nơi chứa Thể tích

(103 km3)

%

so với tổng số

Thời gian

đổi mới

Đại dương 1.370.000 97,61 3.100 năm

Băng ở các cực và đỉnh núi cao 29.000 2,08 16.000 năm

Nước ngầm trao đổi tích cực 4.000 0,29 300 năm

Nước trong các hồ nước ngọt 125 0,009 1 - 100 năm

Nước trong các hồ nước mặn 104 0,008 10 – 1.000 năm

Độ ẩm trong đất 67 0,005 280 ngày

Nước trong các dòng sông 1,2 0,00009 20 – 120 ngày

Hơi nước trong khí quyển 14 0,0009 9 ngày

Bảng 1: Sự phân bố nước trên hành tinh chúng ta

1. GIỚI THIỆU

Hình 1. Chu trình nước trong tự nhiên và sự phong hoá mẫu thạch thành đất trồng trọt

2. PHÂN LOẠI NGUỒN NƯỚC

Hình 2. Thủy vực của vùng Nước Tỉnh [nước đứng](ao, hồ, đầm…)

Quang hợp không tạo oxy

Quang hợp tạo oxy

Sản phẩm trung gian và tái sử dụng

Lên men kỵ khí, khử sulphat, tạo khí methan

Tảo lục, tảo lam

Tầng đột biến nhiệt

Vi khuẩn quang dưỡng sulphur

Lớp bùn đáy

Tầng hiếu khí

Tầng kỵ khí

Nước tĩnh (nước đứng) và nước động

Các nhóm vi sinh vật thường hiện diện trong NƯỚC ĐỨNG

Ở Tầng mặt thủy vực

* Tảo: tảo giáp, tảo vàng ánh, tảo silic (Navicula, Pinnularia), tảo đỏ (Gracilaria),

tảo lục (Cosmarium, Closterium, Spirogyra), tảo vòng… với các loài tiêu biểu như

tảo lam (Anabaena)

* Vi khuẩn: gồm các vi sinh vật quang dưỡng, vi sinh hiếu khí và kỵ khí không

bắt buộc như: Halobacterium, Pelodictyon, Rhodopseudomonas; vi khuẩn lam

(Nostoc, Anabaena, Gloeotrichia, Tolypothrix, Scytonema…)…

* Nguyên sinh động vật: Trùng bánh xe: Trichocerca, Lecane, Brachionus… ăn

tảo, vi khuẩn, chất hữu cơ.

Đôi khi chúng ta gặp trường hợp Nước nở hoa (hoa rong) (Hình 3), hiện tượng

này do các loài Merismopedia elegans var. remota, Microcytis robusta, M.

elongata, Anabaena spiroides var. minima, Spirulina sp. gây ra.

Hình 3. Hiện tượng nước nở hoa

Nhóm vi khuẩn Hóa dị dưỡng (hữu cơ): Archaeoglobus,

Staphylothermus Prococcus, Sulfolobus, Thermoproteus,

Thermococus, Desulfurococcus, Thermofilum, Pyrocccus.

Nhóm vi khuẩn Hóa tự dưỡng (vô cơ): Acidianus, Pyrodictium,

Thermoproteus, Pyrobaculum, Stygiolobus, Aquifex, Pyrolobus,

Acidianus, Sulfolobus, Pyrobaculum, Aquifex, Ferroglobus,

Archaeoglobus, Methanopyrus, Methanococcus

Ở tầng giữa thủy vực

Bao gồm những vi sinh vật kỵ khí bắt buộc (chủ yếu là vi khuẩn), có khả

năng phân hủy các chất hữu cơ, xác bả sinh vật trên nền đáy, như:

Mycobacterium tuberculosis

Bacillus subtilis, B. anthracis, B. mesentericus, B. mycoides

Salmonella paratyphi

Proteus vulgaris

Shigella dysenteriae

Clostridium perfringens, C. tetani, C. sporogenes, C. botulinum, C.

histolyticum

Ở tầng đáy thủy vực

3. VI SINH VẬT TRONG NƯỚC NGỌT (Fresh Water)

3.1. Thủy vực nước ngọt

3.1.1 Hồ

a. Hồ sâu hình thành 2 vùng thủy vực:

- Littoral zone (gần bờ) với nhiều thủy sinh thực vật sinh sống với một phần ở dưới nước một phần ở trên không, phong phú chủng loài sinh vật bao gồm động – thực vật và cả vi sinh vật.

- Central zone (xa bờ), vùng này chia thành 3 vùng nhỏ tùy theo ánh sáng chiếu đến lớp nước nào.

+ Vùng quang năng (Photic zone), ở vùng này ánh sáng đi đến nên phong phú các nhóm phiêu sinh thực vật (phytophankton) và vi khuẩn quang dưỡng.

+ Vùng thiểu quang (Aphotic zone), ở vùng này ánh sáng không đến được hoặc đến rất ít, vùng này có rất nhiều nhóm vi khuẩn dị dưỡng và hóa tự dưỡng.

+ Vùng đáy hồ (Bentic zone), chứa nhiều vi khuẩn kỵ khí và nguyên sinh động vật (protozoa).

b. Hồ cạn: chỉ có vùng quang năng (photic zone) với trên mặt nước

hay gần mặt nước có rất nhiều vi sinh vật sinh sống bao gồm tảo, vi

khuẩn, nấm, nguyên sinh động vật, virus…. Phần đáy hồ chỉ có

nhóm tảo đáy tự dưỡng chiếm đa số (autotrophic bentic community

algae).

Hệ vi sinh vật ở hồ và ao khá giống nhau. Vi sinh vật ở đây rất đa

dạng và phong phú với các ngành tảo (tảo vàng ánh, tảo lục, tảo

mắt, tảo giáp) ở tầng mặt, các nguyên sinh động vật, lớp giáp xác

và nấm mốc chiếm đa số ở tầng giữa, vi khuẩn chủ yếu ở lớp bùn

đáy

Hệ vi sinh vật sông suối không phong phú như ở ao, hồ, chủ yếu ở vùng khơi với các vi tảo sinh dưỡng tự dưỡng và ở vùng sâu với các vi khuẩn và nấm sinh dưỡng nhờ nguồn thức ăn xâm nhập từ vùng ven bờ và vùng khơi.

Mức độ đa dạng loài cũng như mật số vi sinh vật tăng dần ở vùng gần hạ lưu hơn. Ở vùng sông, suối bị ô nhiễm hữu cơ mật số vi sinh vật đặt biệt cao với thành phần loài đặt trưng cho loại ô nhiễm.

Thành phần hệ sinh vật sông suối phụ thuộc trực tiếp hệ vi sinh vật trong đất nơi chúng chảy qua, chủ yếu là do sự cuốn trôi vi sinh vật từ đất..

c. Sông suối, rạch

1. Thanh tảo hay Vi khuẩn Lam (Blue-Green Algae= Cyanobacteria=Cyanophyta) là nhóm sơ hạch.2. Nhóm tảo chân hạch gồm: a.Tảo lục (Green algae) thuộc lớp Chlorophyta rất phong phú với các đại diện là Chara, Cladophora có 302 loài. b.Tảo Mắt (Euglenophyta) bộ Euglenoids rất phong phú trong nhóm có 10 loài. c.Tảo Vàng lục (Yellow-green algae) với các lớp Eustigmatophyta, Raphidiophyta, Tribophyta với 90 loài. d.Tảo song chiên (Dinoflagellates thuộc lớp Dinophyta) có 37 loài. e. Nhóm Cryptomonads thuộc lớp Cryptophyta có 12 loài. f. Nhóm Chrysophytes thuộc lớp Chrysophyta có 72 loài. g. Tảo Khuê (lớp Bacillariophyta) phong phú với 118 loài. h. Tảo Đỏ (Red algae) có lớp Rhodophyta với đại diện Bangia stropuzpurea có 25 loài. i.Tảo nâu (Brown algae) lớp Phacophyta với đại diện Pleurocladia, Heribandiella có 4 loài.

Hệ vi sinh vật trong vùng NƯỚC NGỌT bao gồm các nhóm vi sinh vật sau

Nhóm 1: Spirochaeta plicatilis, dạng hơi xoắn, kỵ khí hay vi hiếu khí, Gram âm thường gặp ở nước lợ, mặn giàu H2S.Nhóm 2: Spirillum volutans, dạng xoắn, que dài, kỵ khí hay vi hiếu khí, Gram âm thường gặp ở nước lợ, mặn, phân hủy chất hữu cơ.Nhóm 3: Azotobacter chrococcum, dạng cầu, Gram âm, hiếu khí, cố định đạm khí trời. Methyllomonas methanica,que dài, oxid methan. Pseudomonas aeruginosa, que ngắn, Gram âm, phân hủy chất hữu cơ.Nhóm 4: Escherichia coli, vi khuẩn gậy bệnh đường ruột rất phổ biến.Nhóm 5: Thiopedia rosea, vi khuẩn kỵ khí, ở đáy lớp phù sa. Rhodospirillum rubrum thường gặp trong các hồ nước đọng.Nhóm 6: Caulobacter vibrioidesNhóm 7: Sphaerotilus natans, gặp ở trên vỏ cây, đá, nước nhiều chất hữu cơ.Nhóm 8: Cytophaga hutchinsonii, thường có mặt ở nhiều vùng nước khác nhau (ngọt, lợ. mặn, phèn), phân hủy cellulose, lignin, protein, chất hữu cơ. Lysobacter enzymogenes rất đặc trưng trong nước ngọt, thường tấn công các vi sinh vật kể cả thanh tảo.Nhóm 9: Bacillus pitutans, que ngắn, Gram dương, có nội bào tử, thường có mặt vùng nước nhiều chất hữu cơ.

nhóm vi khuẩn chủ yếu là nhóm vi khuẩn dị dưỡng phân ra các nhóm đại diện chính yếu sau:

Là nhóm vi sinh vật sơ hạch, dạng phát triển như khuẩn ty nấm, Gram dương, bao gồm các giống thường gặp trong nước là: Rhodococcus coprophilus, Actinoplanes, Streptomyces, Thermoactinomycetes, Micromonospora.

Xạ khuẩn (Actinomycetes)

Nấm (Fungi): gồm nấm đơn bào và nấm sợi, có đủ các đại diện trong các lớp Nấm đặc biệt là Nấm Trứng (Oomycestes) phát triển nhiều với các giống sau: *Saprolegnia, Alphanomyces thường ký sinh trên cá. *Olpidiopsis thường ký sinh trên Tảo và các sinh vật khác. *Apodachlya thường có trong nước ô nhiễm. * Pythium thường ký sinh trên Tảo, Nấm và ấu trùng Muổi, ký sinh trên rễ các loài thực vật khác.

Rất phong phú với các nhóm sau:

Ciliates với giống được biết đến nhiều như Paramecium; đối với nhóm này chia ra làm 2 nhóm nhỏ: nhóm Ciliates phiêu sinh thực vật (Planktonic ciliates) và nhóm ciliates trong bùn đáy ao, hồ, sông rạch.. (Benthic ciliates).

*Nguyên sinh động vật có chiên mao (Flagellate protozoa) với loài Peranema trichophorum.

* Nguyên sinh động vật trườn (Amoeboid protozoa) với các loài, giống Amoeba, Actinosphaerum eichornic.

Nguyên sinh động vật (Protozoa)

3.1.1. Vi sinh vật sông, suối và rạch 3.1.1.1. Vi sinh vật suối nước nóng

Vi sinh vật trong suối nước nóng

Do có điều kiện sinh thái khác biệt rõ rệt so với các thủy vực khác, nên suối nước nóng cũng có hệ vi sinh vật hết sức đặc trưng.+ Vi khuẩn: Legionella, Leptothrix orchraceae, Thermus aquaticus (Hình 4), Bacillus strearothermophilus là các vi khuẩn chịu được nhiệt độ cao, hóa tự dưỡng.

Hình 4. Vi khuẩn Thermus aquaticus

a.Tảo: ở các sông suối thường gặp nhất là tảo lục và tảo silic. * Tảo lục chiếm thành phần lớn nhất trong các sinh vật nổi của thủy vực nước ngọt, nhất là ở các sông có dòng chảy yếu, suối cạn, nước có nồng độ nitrate, sulphate cao

3.1.1.2. Vi sinh vật sông

Hình 5. Chlorella

Tảo silic hay Khuê Tảo (Bacillariophyceae thuộc Chrysophyta)Khuê Tảo (tảo silic) có mật số và mức độ đa dạng loài đúng thứ 2 sau tảo lục ở thủy vực nước ngọt. Chúng còn là sinh vật chỉ thị về sự ô nhiễm thuốc bảo vệ thực vật trong nước. Đặc điểm chung của tảo silic là sống đơn bào độc lập hoặc kết thành chuổi tạo nhiều dạng rất đặc sắc (Hình 6 và Hình 7).

Hình 6. Giống Cyclotella Hình 7. Giống Chaetoceros

b. Vi khuẩn lam (Cyanobacteria)

Trong thủy vực nước ngọt đại diện thường gặp của ngành vi khuẩn

lam là Oscillatoria, thường hiện diện ở nơi dòng chảy yếu, nước ô

nhiễm hữu cơ. Chúng bám ở đáy sông, suối tương đối cạn, nơi có

ánh sáng chiếu đến, tạo lớp trơn trượt trên bề mặt các phiến đá ở

lòng suối hay tróc ra khỏi lớp đáy và nổi trên mặt nước thành từng

mảng vào mùa nắng.

 Hình 15. Giống Nostoc Hình 16. Giống Oscillatoria

Thường gặp là các vi khuẩn gây bệnh cho người và gia súc có nguồn gốc từ nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất; và vi khuẩn tự nhiên ở lớp bùn đáy, phân hủy xác bã hữu cơ trong nước.

c. Vi khuẩn

Hình 18. Vi khuẩn Staphylococcus aureus

Hình 17. Vi khuẩn Clostridium botulinum

Sinh độc tố botulin chất độc sinh học mạnh nhất, tác động lên hệ thần kinh trung ương gây liệt hô hấp, liệt tim tử vong trong vòng 36 - 48 giờ.

enterotoxin (điều kiện >40C), gây ngộ độc thực phẩm: viêm họng, viêm da.

Hình 19. Vi khuẩn Clostridium ferpringens Hình 20. Vi khuẩn Bacillus subtilus

Gây hư hỏng thực phẩm (lên men chua)

nhiễm vào gây hư hỏng thực phẩm, các sản phẩm lên men.

4. VI SINH VẬT TRONG NƯỚC LỢ (Brackish water)4 – 5 ‰ NaCl

Karpevits (1982): lượng S cao hơn từ 0,5 đến 30 ‰ và gồm:

* Nước lợ nhạt có nồng độ S từ 0,5 đến 4 ‰

* Nước lợ vừa có nồng độ S từ 4 đến 18 ‰

•Nước lợ mặn có nồng độ S từ 18 đến 30 ‰

Vi sinh vật nhóm lợ vừa và lợ nhạt: tảo Lục, tảo Lam, một số ít loài tảo Silic

thuộc lớp Pennatae và một số vi khuẩn như Melita vietnamica, Batillaria zonalis...

Đặc biệt trong nước lợ, thành phần tảo silic (Khuê tảo) và tảo giáp rất phong phú.

Vi sinh vật nhóm lợ mặn: chiếm ưu thế là tảo silic và tảo giáp, như

Rhizosolenia, Ceratium...và một số giống vi khuẩn như Pseudodiaptomus,

Sinocalanus…

Hình 26. Tảo Closterium (tảo liềm)

Hình 25. Tảo Chlamydomonas

Hình 24. Tảo ChlorellaTriceratium

5. VI SINH VẬT TRONG NƯỚC PHÈN (Acid sulphate water)

Số lượng và thành phần vi sinh vật thấy trong nước mang đặc trưng Số lượng và thành phần vi sinh vật thấy trong nước mang đặc trưng vùng đất bị nhiễm mà nước chảy qua.vùng đất bị nhiễm mà nước chảy qua.

Có 2 loại đất phènCó 2 loại đất phèn* Đất phèn tiềm tàng* Đất phèn tiềm tàng (Potential acid sulphate soil)(Potential acid sulphate soil)  Ở nơi đất chứa nhiều chất hữu cơ, nếu bị ngập nước, vi khuẩn khử Ở nơi đất chứa nhiều chất hữu cơ, nếu bị ngập nước, vi khuẩn khử sắt cho ra nhiều Fe2+. sắt cho ra nhiều Fe2+. Trong điều kiện yếm khí vi khuẩn khử sulfat như Trong điều kiện yếm khí vi khuẩn khử sulfat như DesulfovibrioDesulfovibrio chuyển hóa sulfat thành sulfur. Sulfur sẽ phối hợp với Fe2+ cho ra chuyển hóa sulfat thành sulfur. Sulfur sẽ phối hợp với Fe2+ cho ra pyrite (FeS2).pyrite (FeS2). Nếu điều kiện ngập nước liên tục lâu dài, pyrite tích tụ thành tầng Nếu điều kiện ngập nước liên tục lâu dài, pyrite tích tụ thành tầng phèn tiềm tàng trong đất.phèn tiềm tàng trong đất.

Đất phèn hoạt độngĐất phèn hoạt động (Actual acid sulphate soil)(Actual acid sulphate soil)  

Khoáng pyrite (FeS2) có mặt trong một số loại đất khi tiếp Khoáng pyrite (FeS2) có mặt trong một số loại đất khi tiếp xúc với không khí có thể bị oxy hóa thành acid sulfuricxúc với không khí có thể bị oxy hóa thành acid sulfuric FeS2 + 7/2O2 + 8H2O FeS2 + 7/2O2 + 8H2O Fe2+ + 2H+ + 2SO42- Fe2+ + 2H+ + 2SO42- + 7H2O+ 7H2O  Lúc này đất chứa nhiều sulfat và acid do đó được gọi là Lúc này đất chứa nhiều sulfat và acid do đó được gọi là đất đất acid có gốc sulfat acid (acid sulfat soil) hay là đất phèn.acid có gốc sulfat acid (acid sulfat soil) hay là đất phèn.

Khoáng chất

Vi khuẩn Fe, S

Vi khuẩn khử S

Vi khuẩn khử Fe

Bề mặt

Tầng kỵ khí

Tầng hiếu khí

Ánh sáng

Hình Sơ đồ trình bày quá trình hình thành đất phènHình Sơ đồ trình bày quá trình hình thành đất phèn

+ tầng nước mặt+ tầng nước mặt: có những thanh tảo (vi khuẩn lam) có : có những thanh tảo (vi khuẩn lam) có

khả năng sống trong điều kiện nước có pH thấp và một số khả năng sống trong điều kiện nước có pH thấp và một số

ít các loài tảo khác, nấm thủy sinh, nguyên sinh động vật.ít các loài tảo khác, nấm thủy sinh, nguyên sinh động vật.

+ tầng nước giữa+ tầng nước giữa: sự hiện diện chiếm ưu thế của hai nhóm : sự hiện diện chiếm ưu thế của hai nhóm

vi khuẩn quang tự dưỡng và hóa tự dưỡng. vi khuẩn quang tự dưỡng và hóa tự dưỡng.

Xác vi khuẩn

Tầngđáy

Quang hợptạo oxi

VK lưu huỳnhmàu tía

Tầngmặt

Ranh giớioxy hóa khử

Vk hóa tựdưỡng

VK lam

Hình .Hình . Mô hình mô tả sự hiện diện của những vi sinh vật trong Mô hình mô tả sự hiện diện của những vi sinh vật trong nước phènnước phèn

6. VI SINH VẬT XỬ LÝ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Ô nhiễm chất đạm

Trong các ao hồ nuôi trồng thủy sản, do mật độ nuôi các loại thủy

sản rất cao, thức ăn dư thừa càng lớn dẫn đến sự tích tụ một lượng

lớn chất thải làm ảnh hưởng đến sức khoẽ vật nuôi cũng như gây ô

nhiễm môi trường sống.

Nhiều loài vi sinh vật có khả năng xử lý các ô nhiễm chất đạm như

Bacillus subtilis, Nitrosomonas sp., Nitrobacter sp. Pseudomonas

sp.

Hình . Bacillus subtilis Hình . Nitrosomonas sp.

Các cơ sở sản xuất chế biến như xí nghiệp chế biến thủy hải sản

xuất khẩu thường thải ra môi trường một lượng lớn chất thải là chất

đạm cũng như chất lân. Nguồn phospho trong nước thải chế biến

thủy sản chủ yếu từ Sodium-tripoly phosphat, acid nucleic và

phospholipid.

Ô nhiễm chất lân

Sodium tripoly phosphat: Là một loại muối phosphat được dùng trong quy trình chế biến thủy sản với vai trò là chất phụ gia thực phẩm dùng để ngâm tôm tác dụng của nó là giữ trọng lượng tôm, tạo vị ngọt, giòn làm tăng giá trị cảm quan của thịt tôm; liều lượng sử dụng tuỳ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật của qui trình sản xuất có thể sử dụng từ 1% - 3% trong dung dịch nước ngâm tôm.

Người ta đã tìm thấy được nhiều loài vi sinh vật có thể phân giải lân như: Pseudomonas sp., Bacillus cereus, Flavobacterium….

Các hợp chất có vòng nhân thơm là những hợp chất rất khó

bị phân hủy. Loài vi khuẩn Rhodopseudomonas palustris

là loại vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh, phân bố

rộng trong môi trường tự nhiên và có thể được phân lập từ

rất nhiều nguồn khác nhau: nước thải trong chăn nuôi, các

khu công nghiệp, nước ao hồ, hoặc ở những vùng nước mặn

Các hợp chất có vòng nhân thơm

Hình . Vi khuẩn Rhodopseudomonas palustris chụp dưới kính hiển vi điện tử quét ở độ phóng đại 11.000 lần