Vi khuẩn Amon Hoá là gì? Đặc điểm và tầm quan trọng trong xử lý nước

Trong thế giới vi sinh vật đa dạng, có những nhóm đóng vai trò thầm lặng nhưng lại mang ý nghĩa sống còn đối với sự cân bằng của các hệ sinh thái và môi trường sống của chúng ta. Một trong số đó chính là vi khuẩn Amon hoá, hay còn gọi là Ammonia-oxidizing bacteria (AOB). Đây là những tác nhân sinh học không thể thiếu trong chu trình nitơ tự nhiên và đặc biệt quan trọng trong các hệ thống xử lý nước thải hiện đại. Vậy vi khuẩn Amon hoá (AOB) là gì, chúng có những đặc điểm sinh hóa nổi bật nào và vai trò của chúng trong việc làm sạch môi trường nước được diễn ra như thế nào? Bài viết này của Thiết bị ngành nước Song Phụng sẽ đi sâu khám phá những khía cạnh này, cung cấp cho bạn cái nhìn chuyên sâu và toàn diện về tầm quan trọng của AOB.

Vi khuẩn Amon hoá – Ammonia-oxidizing bacteria là gì?

Vi khuẩn Amon hoá (AOB) là một nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa năng (chemoautotrophs) chuyên biệt. AOB thu nhận năng lượng bằng cách oxy hóa các hợp chất vô cơ. Cụ thể, chúng sử dụng amoniac (NH₃) hoặc ion amoni (NH₄⁺) làm nguồn năng lượng chính và carbon dioxide (CO₂) làm nguồn carbon duy nhất để xây dựng tế bào của mình.

Quá trình oxy hóa này chuyển đổi amoniac thành nitrit (NO₂⁻), một bước then chốt trong chu trình nitơ toàn cầu. Enzyme chủ chốt tham gia vào quá trình này là ammonia monooxygenase (AMO) và hydroxylamine oxidoreductase (HAO). Khả năng độc đáo này khiến AOB trở thành những “kiến trúc sư” quan trọng trong việc chuyển hóa nitơ trong tự nhiên.

Phân loại vi khuẩn có trong AOB

Trong nhóm AOB, có nhiều chi và loài khác nhau, nhưng hai chi phổ biến và được nghiên cứu nhiều nhất trong môi trường nước và hệ thống xử lý nước thải là Nitrosomonas và Nitrosospira. Cả hai chi này đều thuộc lớp β-Proteobacteria, một phân ngành của vi khuẩn Proteobacteria. Ngoài ra, còn có các chi khác như Nitrosococcus (thường được tìm thấy trong môi trường biển) thuộc lớp γ-Proteobacteria.

Điều thú vị là, bên cạnh vi khuẩn, một số vi sinh vật cổ (Archaea) cũng có khả năng oxy hóa amoniac, được gọi là Ammonia-Oxidizing Archaea (AOA), ví dụ như Nitrosopumilus. AOA thường chiếm ưu thế ở môi trường có nồng độ amoniac thấp hoặc điều kiện khắc nghiệt hơn, bổ sung vai trò của AOB trong việc chuyển hóa nitơ.

Môi trường sống của các chủng vi khuẩn AOB

AOB là những vi khuẩn phổ biến, có mặt ở hầu hết các môi trường tự nhiên và nhân tạo trên khắp hành tinh nơi có sự hiện diện của amoniac. Bạn có thể tìm thấy chúng trong các loại đất khác nhau, từ đất nông nghiệp đến đất rừng, nơi chúng đóng góp vào độ phì nhiêu của đất.

Trong môi trường nước, AOB sinh sống cả ở nước ngọt (ao, hồ, sông), nước mặn (biển, đại dương, đầm lầy ven biển) và nước lợ (cửa sông). Đặc biệt, chúng là thành phần không thể thiếu và đóng vai trò trung tâm trong các hệ thống xử lý nước thải, nơi chúng được “nuôi cấy” và tối ưu hóa để loại bỏ nitơ gây ô nhiễm. Khả năng thích nghi với nhiều loại môi trường khác nhau chứng tỏ tầm quan trọng của AOB trong việc duy trì chu trình nitơ ở quy mô toàn cầu.

Quá trình amon hoá là gì? Vai trò của AOB trong chu trình amon hoá

Để thực sự hiểu vai trò của AOB, điều quan trọng là phải phân biệt rõ ràng giữa các quá trình chuyển hóa nitơ khác nhau và đặt AOB vào đúng vị trí của chúng trong chu trình phức tạp này.

Amon hoá là gì?

Amon hoá (Ammonification) là một quá trình sinh học quan trọng trong chu trình nitơ, còn được gọi là quá trình khoáng hóa nitơ. Đây là giai đoạn mà các hợp chất nitơ hữu cơ phức tạp (như protein, axit nucleic, ure trong xác sinh vật chết, chất thải động vật) được các vi sinh vật phân hủy (chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng và nấm) chuyển hóa thành các dạng nitơ vô cơ đơn giản hơn, cụ thể là amoniac (NH₃) hoặc ion amoni (NH₄⁺). Quá trình này giải phóng nitơ từ dạng hữu cơ bị khóa trong xác bã sinh vật, trả lại cho môi trường dưới dạng có thể được thực vật hoặc các vi sinh vật khác sử dụng. Amon hoá là bước đầu tiên và cần thiết, tạo ra “nguyên liệu” cho các bước chuyển hóa nitơ tiếp theo.

Phân biệt với quá trình nitrat hoá

Đây là điểm thường gây nhầm lẫn. Trong khi amon hoá là quá trình chuyển nitơ hữu cơ thành amoniac/amoni, thì nitrat hoá (Nitrification) là một quá trình hoàn toàn khác, được thực hiện bởi một nhóm vi khuẩn nitrat hoá chuyên biệt, trong đó AOB đóng vai trò chính. Quá trình nitrat hoá diễn ra theo hai bước chính và cần có oxy:

• Bước 1: Oxy hóa amoniac thành nitrit (do AOB thực hiện): Đây chính là vai trò của vi khuẩn Amon hoá (AOB) như Nitrosomonas. Chúng oxy hóa NH₃/NH₄⁺ thành NO₂⁻ để thu năng lượng.
• Bước 2: Oxy hóa nitrit thành nitrat (do Nitrite-Oxidizing Bacteria – NOB thực hiện): Sau đó, một nhóm vi khuẩn khác là vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB), ví dụ như Nitrobacter hoặc Nitrospira, sẽ tiếp tục oxy hóa NO₂⁻ thành nitrat (NO₃⁻).

Như vậy, AOB là một phần không thể thiếu của quá trình nitrat hoá, chứ không phải quá trình amon hoá. Amon hoá cung cấp amoniac, là chất nền cho AOB hoạt động.

Mối liên hệ giữa quá trình Amon hoá với vi khuẩn Amon hoá

Mối liên hệ giữa quá trình amon hoá và vi khuẩn Amon hoá (AOB) là mối quan hệ “cung cấp nguyên liệu – xử lý nguyên liệu”. Quá trình amon hoá do các vi khuẩn phân hủy dị dưỡng thực hiện, tạo ra amoniac (NH₃/NH₄⁺) từ nitơ hữu cơ. Chính amoniac này lại là chất nền, nguồn năng lượng thiết yếu cho các vi khuẩn Amon hoá (AOB) hoạt động. Nếu không có quá trình amon hoá diễn ra trước đó, AOB sẽ không có “thức ăn” để thực hiện vai trò oxy hóa amoniac thành nitrit. Do đó, mặc dù AOB không trực tiếp tham gia vào việc phân hủy chất hữu cơ để tạo ra amoniac, nhưng sự tồn tại và hoạt động của chúng phụ thuộc hoàn toàn vào sản phẩm của quá trình amon hoá, tạo thành một mắt xích liên tục và không thể tách rời trong chu trình nitơ.

AOB và quá trình amon hoá đóng vai trò gì trong xử lý nước thải?

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước do các hợp chất nitơ, vai trò của AOB và các quá trình chuyển hóa nitơ trong xử lý nước thải trở nên cực kỳ quan trọng và không thể thay thế.

Vì sao phải xử lý nitơ trong nước thải?

Nitơ là một nguyên tố thiết yếu cho sự sống, nhưng khi tồn tại ở nồng độ cao và dưới các dạng hóa học nhất định trong nước thải, nó trở thành tác nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng, dẫn đến nhiều vấn đề môi trường và sức khỏe.

• Gây hiện tượng phú dưỡng (Eutrophication): Nitơ (đặc biệt là nitrat và amoniac) cùng với phốt pho là những chất dinh dưỡng chính thúc đẩy sự phát triển quá mức của tảo và thực vật thủy sinh (tảo nở hoa). Khi tảo chết đi, chúng phân hủy, tiêu thụ một lượng lớn oxy trong nước, gây thiếu oxy nghiêm trọng, làm chết cá và các sinh vật thủy sinh khác, phá vỡ cân bằng sinh thái.
• Độc tính đối với sinh vật thủy sinh: Amoniac (NH₃) là một chất cực độc đối với cá và các loài thủy sinh khác, đặc biệt khi pH nước cao. Nồng độ amoniac cao có thể gây tổn thương mang, hệ thần kinh và dẫn đến tử vong.
• Ảnh hưởng đến sức khỏe con người: Nitrat (NO₃⁻) trong nước uống ở nồng độ cao có thể gây ra hội chứng methemoglobinemia (còn gọi là “hội chứng em bé xanh”) ở trẻ sơ sinh, một tình trạng nguy hiểm do giảm khả năng vận chuyển oxy của máu. Ngoài ra, nitrat có thể chuyển hóa thành nitrit, sau đó thành nitrosamine, một hợp chất có khả năng gây ung thư.
• Tiêu thụ oxy trong hệ thống tự nhiên: Quá trình nitrat hoá trong tự nhiên (thực hiện bởi AOB và NOB) tiêu thụ oxy. Nếu lượng amoniac thải ra quá lớn, nó có thể làm cạn kiệt oxy hòa tan trong các thủy vực tiếp nhận, gây ra tình trạng kị khí và phát sinh mùi hôi.

Vì những lý do này, việc loại bỏ nitơ khỏi nước thải trước khi xả ra môi trường là một yêu cầu bắt buộc và là một trong những mục tiêu quan trọng nhất của các nhà máy xử lý nước thải.

Quá trình xử lý nitơ khỏi nước thải và hệ thống xử lý sinh học

Để loại bỏ nitơ khỏi nước thải, các hệ thống xử lý sinh học thường áp dụng một chuỗi các quá trình chuyển hóa nitơ phức tạp, được thiết kế để chuyển đổi nitơ gây ô nhiễm thành khí nitơ (N₂) không độc hại và bay hơi vào khí quyển.

• Amon hoá (Ammonification – Giai đoạn chuẩn bị): Mặc dù không phải là quá trình loại bỏ nitơ trực tiếp, amon hoá là bước đầu tiên cần thiết. Trong nước thải, nitơ thường tồn tại dưới dạng hữu cơ phức tạp (từ phân, ure, protein, chất thải thực phẩm). Quá trình amon hoá sẽ chuyển hóa các hợp chất này thành amoniac (NH₃) hoặc ion amoni (NH₄⁺), cung cấp chất nền cho quá trình nitrat hoá tiếp theo. Đây là quá trình tự nhiên diễn ra trong các bể xử lý sơ cấp hoặc trong giai đoạn tiền xử lý.
• Nitrat hoá (Nitrification – Giai đoạn chuyển hóa độc tố): Đây là quá trình quan trọng nhất để loại bỏ độc tính của amoniac. Quá trình nitrat hoá diễn ra trong điều kiện hiếu khí (có oxy) và được thực hiện bởi hai nhóm vi khuẩn chính:
  • Vai trò của AOB (Ammonia-Oxidizing Bacteria): Vi khuẩn Amon hoá (AOB) thực hiện bước đầu tiên, oxy hóa amoniac (NH₃/NH₄⁺) thành nitrit (NO₂⁻). Đây là bước quyết định để chuyển hóa dạng nitơ độc hại thành dạng ít độc hơn, nhưng vẫn cần được xử lý tiếp.
  • Vai trò của NOB (Nitrite-Oxidizing Bacteria): Sau đó, vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB) sẽ tiếp tục oxy hóa nitrit (NO₂⁻) thành nitrat (NO₃⁻). Nitrat là dạng nitơ ít độc hơn nhưng vẫn có khả năng gây phú dưỡng.
• Khử nitrat (Denitrification – Giai đoạn loại bỏ cuối cùng): Đây là bước cuối cùng để loại bỏ nitơ khỏi nước thải. Quá trình này được thực hiện bởi các vi khuẩn khử nitrat (denitrifying bacteria) trong điều kiện kị khí hoặc thiếu khí (không có oxy hoặc rất ít oxy). Các vi khuẩn này sử dụng nitrat (NO₃⁻) làm chất nhận electron cuối cùng thay vì oxy, chuyển hóa nitrat thành khí nitơ (N₂) bay hơi vào khí quyển. Quá trình này cần có nguồn carbon hữu cơ (từ nước thải hoặc bổ sung từ bên ngoài) làm nguồn năng lượng cho vi khuẩn.

Vai trò của AOB trong chuỗi xử lý

Trong chuỗi các quá trình xử lý nitơ phức tạp, vi khuẩn Amon hoá (AOB) đóng vai trò là mắt xích cực kỳ quan trọng và thường là bước giới hạn tốc độ (rate-limiting step) của toàn bộ quá trình nitrat hoá.

• Bước chuyển hóa độc tố: AOB là nhóm vi khuẩn duy nhất có khả năng chuyển đổi amoniac độc hại thành nitrit. Nếu không có AOB, amoniac sẽ tích tụ trong nước thải, gây độc cho các sinh vật khác trong hệ thống xử lý (kể cả vi khuẩn NOB) và không thể tiếp tục quá trình khử nitrat.
• Nền tảng cho khử nitrat: Sản phẩm của AOB là nitrit, sau đó được NOB chuyển thành nitrat. Nitrat này chính là chất nền thiết yếu cho quá trình khử nitrat. Nếu không có AOB, quá trình khử nitrat sẽ không có nitrat để thực hiện, dẫn đến việc nitơ không thể được loại bỏ khỏi nước thải.
• Sự nhạy cảm và tốc độ sinh trưởng chậm: AOB nổi tiếng là nhóm vi khuẩn có tốc độ sinh trưởng chậm hơn nhiều so với các vi khuẩn dị dưỡng và NOB. Đồng thời, chúng rất nhạy cảm với các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH, nồng độ oxy và sự hiện diện của các chất độc. Điều này khiến việc duy trì và tối ưu hoạt động của AOB trở thành thách thức lớn nhưng lại là yếu tố quyết định hiệu suất loại bỏ nitơ của toàn bộ hệ thống xử lý nước thải.

Làm sao để tối ưu hoạt động của AOB và quá trình amon hoá?

Việc tối ưu hóa hoạt động của AOB và các quá trình liên quan là chìa khóa để đảm bảo hiệu suất loại bỏ nitơ trong các hệ thống xử lý nước thải và duy trì môi trường ao nuôi khỏe mạnh. Dưới đây là các yếu tố quan trọng cần được kiểm soát.

Cung cấp đủ oxy cho AOB

AOB là những vi khuẩn hiếu khí bắt buộc, nghĩa là chúng cần oxy để tồn tại và hoạt động. Quá trình oxy hóa amoniac của chúng tiêu thụ một lượng lớn oxy.

• Trong bể nitrat hoá: Đảm bảo nồng độ oxy hòa tan (DO) trong bể phản ứng sinh học (đặc biệt là bể hiếu khí) luôn đạt mức tối ưu, thường là từ 2-4 mg/L. Việc thiếu hụt oxy sẽ làm giảm hoặc ngừng hoàn toàn hoạt động của AOB, dẫn đến tích tụ amoniac.
• Trong ao nuôi: Duy trì hệ thống sục khí, quạt nước đầy đủ, đặc biệt vào ban đêm hoặc những thời điểm oxy dễ xuống thấp. Oxy đầy đủ không chỉ tốt cho tôm/cá mà còn thúc đẩy AOB hoạt động hiệu quả.

>>> Đọc thêm: Vi khuẩn Vibrio Parahaemolyticus là gì và tác động nguy hiểm đến tôm như thế nào?

Kiểm soát pH hợp lý

pH là một yếu tố cực kỳ quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động của AOB và toàn bộ quá trình nitrat hoá. AOB hoạt động hiệu quả nhất trong một phạm vi pH hẹp.

• Phạm vi pH tối ưu: Thường nằm trong khoảng từ 7.5 đến 8.5 (kiềm nhẹ đến trung tính).
• Ảnh hưởng của pH thấp: Quá trình nitrat hoá giải phóng ion H⁺, làm giảm pH của nước. Nếu pH giảm xuống dưới 6.5, hoạt động của AOB sẽ bị ức chế nghiêm trọng, có thể dẫn đến sự cố tích tụ amoniac.
• Ảnh hưởng của pH cao: pH quá cao (trên 9.0) cũng có thể làm giảm hoạt động của AOB và tăng tỷ lệ amoniac dạng khí (NH₃) không ion hóa, vốn độc hơn.
• Kiểm soát pH: Cần bổ sung kiềm (ví dụ: vôi, soda) định kỳ để trung hòa axit sinh ra từ quá trình nitrat hoá và duy trì pH trong phạm vi tối ưu.

Nhiệt độ phù hợp

Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ sinh trưởng và hoạt động trao đổi chất của AOB.

• Phạm vi nhiệt độ tối ưu: AOB phát triển mạnh nhất trong khoảng nhiệt độ từ 25°C đến 35°C.
• Ảnh hưởng của nhiệt độ thấp: Khi nhiệt độ giảm (dưới 15°C), tốc độ sinh trưởng và hoạt động của AOB giảm đáng kể, khiến hiệu suất loại bỏ nitơ kém đi. Trong môi trường nước lạnh, việc duy trì AOB đủ số lượng là một thách thức lớn.
• Ảnh hưởng của nhiệt độ cao: Nhiệt độ quá cao (trên 40°C) cũng có thể gây ức chế hoặc làm chết AOB.
• Kiểm soát nhiệt độ: Trong các hệ thống xử lý nước thải, việc kiểm soát nhiệt độ (ví dụ: bằng cách cách nhiệt bể) có thể cần thiết ở vùng khí hậu lạnh.

Hạn chế chất độc, kim loại nặng

AOB là nhóm vi khuẩn rất nhạy cảm với sự hiện diện của các chất độc hại trong nước.

• Các chất ức chế: Các chất như kim loại nặng (đồng, chì, kẽm, thủy ngân), amoniac ở nồng độ quá cao, nitrit ở nồng độ cao (đặc biệt đối với NOB), các hợp chất hữu cơ độc hại, và một số loại hóa chất diệt khuẩn có thể ức chế hoặc tiêu diệt AOB.
• Giải pháp: Cần kiểm soát nguồn thải, tiền xử lý nước thải để loại bỏ các chất độc trước khi chúng đi vào bể sinh học. Trong ao nuôi, tránh sử dụng các hóa chất không rõ nguồn gốc hoặc lạm dụng kháng sinh.

Kiểm soát lượng chất hữu cơ

AOB là vi khuẩn tự dưỡng hóa năng, chúng không sử dụng chất hữu cơ làm nguồn năng lượng. Sự hiện diện quá nhiều chất hữu cơ có thể gây cạnh tranh với AOB.

• Cạnh tranh oxy và không gian: Vi khuẩn dị dưỡng sử dụng chất hữu cơ phát triển nhanh hơn nhiều so với AOB. Khi có quá nhiều chất hữu cơ, các vi khuẩn dị dưỡng sẽ cạnh tranh oxy và không gian sống với AOB trong bể hiếu khí, làm giảm hiệu suất của AOB.
• Kiểm soát tỷ lệ C:N: Cần duy trì tỷ lệ carbon hữu cơ (C) so với nitơ (N) phù hợp trong nước thải. Đối với nitrat hoá, tỷ lệ C/N thấp hơn thường được ưu tiên để AOB có thể phát triển tốt mà không bị cạnh tranh quá mức bởi vi khuẩn dị dưỡng.

Duy trì hoặc bổ sung vi sinh có lợi

Để đảm bảo quần thể AOB luôn khỏe mạnh và hoạt động hiệu quả, việc duy trì một hệ vi sinh vật cân bằng là cực kỳ quan trọng.

• Quản lý bùn hoạt tính: Trong hệ thống xử lý nước thải, việc duy trì lượng bùn hoạt tính (MLSS – Mixed Liquor Suspended Solids) ổn định và chất lượng bùn tốt là cần thiết để giữ lại AOB trong hệ thống.
• Bổ sung men vi sinh chuyên dụng: Trong trường hợp hệ thống bị sốc, khởi động ban đầu, hoặc cần tăng cường hiệu suất, việc bổ sung các chế phẩm men vi sinh chứa các chủng AOB và các vi khuẩn nitrat hoá khác có thể giúp phục hồi và tăng cường hoạt động của quá trình nitrat hoá. Các sản phẩm này thường chứa các chủng vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter, được thiết kế để đẩy nhanh quá trình chuyển hóa nitơ.

Vi khuẩn Amon hoá (AOB), dù nhỏ bé, lại đóng vai trò không thể phủ nhận trong việc duy trì sự sống trên Trái Đất và đặc biệt quan trọng trong công cuộc làm sạch môi trường nước. Với khả năng độc đáo là chuyển hóa amoniac độc hại thành nitrit, AOB là mắt xích khởi đầu cho toàn bộ quá trình loại bỏ nitơ trong các hệ thống xử lý nước thải. Với bài viết trên của Thiết bị ngành nước Song Phụng, bạn đã có cái nhìn tổng quan về AOB cũng như quá trình Amon hoá.

>> Tham khảo dịch vụ:

• Thi công và lắp đặt hệ thống châm hóa chất tự động
• Dịch vụ sửa chữa van tự động (autovalve) lọc và làm mềm