123 NH 3 , các chất này có thể tham gia trực tiếp vào quá trình trao đổi chất và trao đổi năng lượng của tế bào. Urea là chất hữu cơ chủ yếu trong nước tiểu của người và động. Trong urea có chứa 47% nitơ nhưng nếu không được vi sinh vật phân giải thành NH 3 thì nguồn nitơ lớn lao này cũng trở thành vô ích đối với mọi thực vật. Rất nhiều vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm sợi sống trong đất có khả năng phân giải mạnh mẽ urea. Đáng chú ý là các loài như Planosarcina urea, Micrococcus urea, Bacillus pasteurii, Proteus vulgaris Quá trình phân giải urea xẩy ra rất đơn giản với sự xúc tác của urease: H 2 N- CO- NH 2 + 2H 2 O (NH 4 ) 2 CO 3 (NH 4 ) 2 CO 3 ít bền vững do đó dễ dàng phân giải tiếp: (NH 4 ) 2 CO 3 2NH 3 + CO 2 + H 2 O NH 3 sinh ra do sự phân giải hợp chất hữu cơ thường được ôxy hóa thành NO 2 - và tiếp tục ôxy hóa đến NO 3 - . Phân đạm ((NH 4 ) 2 SO 4 hoặc NH 4 Cl) sau khi bón ruộng cũng nhanh chóng chuyển thành NO 3 - . Quá trình chuyển hoá này gọi là quá trình nitrate hóa. Quá trình này bao gồm 2 giai đoạn: - Quá trình nitrite hóa được biểu thị bằng phương trình phản ứng sau: 2NH 3 + 3O 2 2HNO 2 + 2H 2 O + Q Năng lượng sinh ra trong phản ứng này cũng được vi khuẩn nitrite sử dụng để đồng hóa CO 2 của không khí. Thực ra quá trình này trải qua nhiều phản ứng trung gian và tạo nhiều sản phẩm trung gian, trong đó sản phẩm trung gian quan trọng nhất là hydroxilamin (NH 2 OH). Enzyme xúc tác cho việc chuyển hydro là các enzyme của quá trình hô hấp hiếu khí. Vi khuẩn nitrite là bọn tự dưỡng bắt buộc với các chi đại diện là Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira và Nitrosocystis. - Quá trình nitrate hóa được biểu thị bằng phương trình sau: NO 2 - + O 2 NO 3 - + Q Cũng như các vi khuẩn tự dưỡng hóa năng khác, năng lượng sinh trong phản ứng ôxy hoá NO 2 - được sử dụng để đồng hóa CO 2 không khí. Vi khuẩn nitrate hóa điển hình là các loài thuộc giống Nitrobacter. Đây là những tế bào hình bầu dục, kích thước khoảng 0,8-1,0μm, thuộc loại G - , không tạo bào tử, khuẩn lạc nhỏ bé và trong suốt. Ngoài ra còn có một số giống khác như Nitrococcus, Nitrospira 124 6.2. Sự tổng hợp protein Ba quá trình chủ yếu trong việc biến đổi và truyền đạt thông tin di truyền ở trong cơ thể là: - Sự nhân đôi DNA tạo ra 2 phân DNA giống nhau và giống với phân tử DNA “mẹ”. - Quá trình sao mã theo đó thông tin di truyền từ DNA được sao sang RNA, sau đó được chuyển đến ribosome. - Quá trình dịch mã cho phép chuyển dịch thông tin di truyền thành các axit amin cấu trúc nên protein. Công nghệ di truyền cho phép giải mã trật tự các nucleotide thành trật tự các axit amin đã được xác lập (h. 5.9). Hình 5.9 Sơ đồ sinh tổng hợp axit amin ( theo Lehnin g er ) 125 Phần lớn các vi sinh vật có khả năng tổng hợp 20 loại axit amin. Con đường tổng hợp axit amin ở vi sinh vật đã được nghiên cứu khá tỉ mỉ. Nguyên liệu dùng cho quá trình tổng hợp đó là những sản phẩm trung gian như pyruvate, α - ketoglutarate, oxaloacetate, fumarate Trong phần lớn trường hợp, nhóm amin được đưa vào giai đoạn cuối cùng của sinh tổng hợp nhờ sự chuyển amin, một số acid amin được hình thành nhờ hàng loạt biến đổi của các acid amin khác, trong trường hợp đó không cần sự chuyển amin. Nhiều loại L - acid amin đã được sinh tổng hợp bằng con đường lên men nhờ vi sinh vật như lysine, glutamic, alanine, glycine Hiện nay nhiều loại acid amin “tự nhiên” là sản phẩm của công nghệ sinh học bằng cách thủy phân protein, tổng hợp hóa học hoặc sinh tổng hợp nhờ vi sinh vật. Trong nhiều trường hợp người ta phối hợp giữa tổng hợp hóa học và sinh tổng hợp, phương pháp này có nhiều ưu điểm là cho các dạng L - acid amin là dạng thường gặp trong cơ thể. 7. Sự trao đổi lipid 7.1. Sự phân giải lipid Lipid (ester phức tạp của glycerine và acid béo) và các chất sáp (ester phức tạp của acid béo và rượu bậc một) được nhiều vi sinh vật dùng làm nguồn thức ăn và năng lượng. So với các cơ chất khác thì đây là loại cơ chất được đồng hóa với tốc độ chậm, quá trình này được thực hiện bởi nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau như vi khuẩn, xạ khuẩn, vi nấm Bước đầu tiên của quá trình đồng hóa lipid là sự phân giải thành glycerine (hoặc rượu đơn nguyên tử) và các acid béo. Quá trình này được xúc tác nhờ lipase nội bào hoặc ngoại bào. Sau khi được phosphoryl hóa, glycerine sẽ được chuyển hóa theo con đường EMP, còn các acid béo đi vào chu trình β - ôxy hóa (hình 5.10). Như vậy, cứ qua một vòng ôxy hóa hòan toàn chuỗi carbon của phân tử acid béo lại mất đi 2C. Cứ tiếp tục như vậy thì toàn bộ chuỗi carbon sẽ được chuyển hóa thành acetyl - CoA, chất này được chuyển hóa nhờ chu trình TCA hoặc chu trình acid glyoxilic. Một số nấm mốc thuộc các chi như Penicillium và Aspergillus có thể ôxy hóa acid béo một cách không triệt để và tích lũy lại trong môi trường metylketone tạo mùi khó chịu (gặp trong dầu mỡ bị nhiễm mốc). 126 Hình 5.10: Chu trình β- ôxy hóa axit béo Câu hỏi ôn tập của chương 5 1. Các hình thức vận chuyển các chất qua màng? 2. Cơ chế của quá trình sinh năng lượng của hô hấp hiếu khí và kị khí? 3. Các kiểu hô hấp ở vi sinh vật? 4. Các con đường phân giải hexose? 5. Các kiểu trao đổi chất ở vi sinh vật? 6. Cơ chế và ý nghĩa của chu trình acid tricarboxylic (ATC)? 7. Sự phân giải các hợp chất protein? 8. Vai trò của vi sinh vật trong vòng tuần hoàn nitơ? 9. Vai trò của vi sinh vật trong tuần hoàn carbon? 127 Chương 6 Hô hấp kị khí I.Khái niệm chung Nhiều vi khuẩn hiếu khí có thể sinh trưởng được trong điều kiện không có oxy, lúc đó chúng dùng nitrate (hoặc sulfate) làm chất nhận điện tử cuối cùng, vì vậy gọi là hô hấp nitrate (hoặc hô hấp sulfate). Khả năng chuyển điện tử cho nitrate và sulfate, giúp cho vi khuẩn thực hiện tương đối đầy đủ quá trình oxy hóa hoàn toàn cơ chất, mà không cần có sự tham gia của oxy phân tử, nhờ đó vi sinh vật thu được nhiều năng lượng hơn so với quá trình lên enzyme (hình 6.1) Ngoài ra, có một số ít vi khuẩn (Clostridium aceticum) lại có thể dùng CO 2 làm chất nhận hydro trong hô hấp kị khí. Hình 6.1: Sơ đồ quá trình hô hấp hiếu khí, kị khí và lên enzyme II. Hô hấp nitrate, ammonium hóa nitrate và khử nitrogen Hô hấp nitrate hay là khử dị hoá nitrate khác với quá trình khử đồng hoá nitrate ở chỗ, các sản phẩm khử trong trường hợp này không được tế bào sử dụng tiếp, mà thường được tiết ra ngoài môi trường. 128 Rất nhiều vi khuẩn hiếu khí khi sống trong điều kiện kị khí có khả năng dùng nitrate làm chất nhận hydro cuối cùng, ví dụ một số loài thuộc các chi Bacillus, Aerobacter và E. coli khử nitrate thành amoniac (quá trình amon hoá nitrate), trong khi đó một số khác lại khử nitrate để giải phóng nitơ phân tử (N 2 ) hoặc (N 2 O), người ta cho rằng quá trình amon hoá nitrate và phản nitrate hoá có chung giai đoạn đầu (hình 6.2) Hình 6.2: Sơ đồ quá trình hô hấp nitrate Vi khuẩn nitrate hóa thuộc chi Nitrobacter dùng nitrite làm nguồn năng lượng. Có thể biểu thị chuỗi hô hấp của vi khuẩn nitrate như sau: Hình 6.3: Chuỗi hô hấp của vi khuẩn nitrate hóa Nhiều loại vi sinh vật có khả năng dùng nitrate làm nguồn thức ăn nitơ, khử đồng hoá nitrate qua nitrit thành amoniac, hợp chất này sẽ tham gia tổng hợp trong tế bào của chúng: NO → NO → x → NH − 3 − 2 2 OH → NH + 4 Khi ammonium hoá nitrate ta có: 129 8[H] + H + + NO − 3 → NH + OH + 4 - + 2H 2 O Còn khi khử nitrate hoá: 10[H] + 2H + + NO − 3 → N 2 + 6H 2 O Khi hô hấp nitrate, đặc biệt là khi phản nitrate hoá, cơ chất hữu cơ được oxy hoá hoàn toàn đến CO 2 và H 2 O. Năng lượng sinh ra với nitrate là chất nhận hydro chỉ thấp hơn trong trường hợp chất nhận là oxy phân tử khoảng 10%. ATP cũng được tạo ra nhờ kết quả của quá trình phosphoryl hóa trong chuỗi hô hấp, vì vậy quá trình phản nitrate hóa đảm bảo hoạt tính sinh trưởng của vi sinh vật ở mức độ cao. Ở nhiều loại vi sinh vật có khả năng hô hấp nitrate như E.coli thì chuỗi vận chuyển điện tử tương tự như trong trường hợp hiếu khí, chỉ có citocromo-oxydase được thay bằng nitratereductase. Giai đoạn đầu của quá trình khử nitrate được xúc tác nhờ nitratereductase. Nhiều vi khuẩn phản nitrate hóa có khả năng dùng không những nitrate mà cả nitrite làm chất nhận hydrogen, M. denitrificans còn khử được cả N 2 O. Tùy theo loài vi khuẩn mà sản phẩm của khử nitrate dị hóa và nitrite dị hóa là N 2 , N 2 O hay NO. Do vi khuẩn phản nitrate hóa có khả năng dùng nitrate chủ yếu làm chất nhận điện tử, mà không có khả năng khử nó thành NH , cho nên muốn nuôi cấy chúng phải cần bổ sung thêm nguồn đạm vào môi trường (pepton hoặc NH ). Vi khuẩn phản nitrate hóa phân bố rất rộng trong tự nhiên, những loài thường gặp như: P. denitrificans, P. aeruginosa, P. fluorescens, Micrococcus denitrificans, Hydrogenomonas agilis + 4 + 4 Vi khuẩn phản nitrate hóa là tác nhân sinh học làm nghèo nitrogen của đất (còn phản nitrate hóa học xảy ra mạnh khi đất quá nhiều acid) quá trình này xảy ra mạnh khi đất bị kỵ khí (đất ngập nước, không tơi )hoặc khi dùng phân đạm (nitrate) cùng với phân chuồng trên những ruộng lúa ngập nước, ở đây phân nitrate dùng bón cho lúa đạt hiệu quả rất ít, vì nitrate có thể mất hết rất nhanh, chỉ khoảng mười giờ sau khi bón. Khi đất thoáng khí quá trình phản nitrate bị ức chế, vì oxy phân tử đã ức chế tế bào vi khuẩn tổng hợp enzyme nitratereductase và nitritereductase. III. Hô hấp sulfate Phần lớn vi sinh vật và thực vật có thể dùng sulfate làm nguồn dinh dưỡng lưu huỳnh để tổng hợp cáchợp chất của cơ thể chứa S (acid amin chứa S, enzyme ). Đó là quá trình khử đồng hóa sulfate. Chỉ có một 130 số ít vi sinh vật thuộc 2 chi Desulfovibrio và Desulfotomaculum lại dùng sulfate làm chất nhận hydro cuối cùng trong hô hấp kị khí. Quá trình hô hấp sulfate cũng tương tự như quá trình hô hấp nitrate, nhưng các vi sinh vật thực hiện quá trình này đều thuộc loại kị khí bắt buộc, chúng chỉ có thể dùng sulfate làm chất nhận hydro cuối cùng trong quá trình oxy hóa cơ chất. H 2 S là sản phẩm của quá trình được sinh ra theo khử ứng: 8[H] + SO → H −2 4 2 S + 2H 2 O + 2OH - Vi khuẩn thực hiện quá trình hô hấp sulfate trước khi bị khử thành H 2 S phải trải qua nhiều giai đoạn trung gian mà có những giai đoạn cho đến nay người ta chưa biết được một cách chắc chắn: SO → APS → SO → → → S −2 4 −2 3 2- (Adenosin-5-phosphosulfate) Năng lượng sinh ra trong quá trình hô hấp sulfate được vi sinh vật sử dụng để đồng hóa các hợp chất hữu cơ (acid hữu cơ, amino acid) một số vi khuẩn khử sulfate hóa có khả năng tự dưỡng cacbon, chúng dùng hydro phân tử để khử sulfate và sử dụng năng lượng sinh ra trong quá trình hô hấp sulfate để đồng hóa CO 2 trong không khí. 4H 2 + H 2 SO 4 → H 2 S + 2H 2 O + Q Vi khuẩn khử sulfate hóa có thể phân giải pyruvate để hình thành H 2 S: 4CH 3 COCOOH + H 2 SO 4 → CH 3 COOH +4CO 2 +H 2 S Vi khuẩn khử sulfate hóa thường gặp ở những vùng bùn lầy có khí H 2 S, tức là những nơi có quá trình phân giải kỵ khí các hợp chất hữu cơ. Trong 1ml nước bẩn chứa 10 4 – 10 6 vi khuẩn khử sulfate, còn trong bùn có H 2 S số lượng của chúng lên tới 10 7 tế bào. Hàng triệu năm nay, chúng tham gia tích cực vào quá trình hình thành quặng lưu huỳnh, mỏ dầu hỏa. Desulfotomaculum ruminis tham gia tích cực vào quá trình khử sulfate và tạo thành H 2 S trong những dạ dày cỏ của động vạt nhai lại (trâu, bò ). Bằng cách khử sulfate những vi sinh vật của nhóm này đã tham gia tích cực vào chu trình chuyển hóa chuyển hóa lưu huỳnh trong tự nhiên. Mặt khác, do sinh ra H 2 S có thể làm cá chết hàng loạt, H 2 S làm ăn mòn các bộ phận kim loại của các công trình chôn sâu dưới đất hoặc dưới nước. 131 Thiobacillus denitrificans Thiobacillus thiooxidans Hình 6.4: Một số loài vi khuẩn lưu huỳnh IV. Hô hấp carbonate tạo thành methane Những vi sinh vật này có khả năng hình thành methane từ carbonate e. Chúng lấy năng lượng cho hoạt động sống của mình từ quá trình oxy hóa kỵ khí các hợp chất khoáng hay các hợp chất hữu cơ đơn giản như acid formic hay một số acid béo bậc cao. Những vi sinh vật sinh methane bao gồm 4 nhóm phụ khác nhau về hình thái: -Các vi sinh vật sinh methane không sinh bào tử (Methanobacterium) -Các vi sinh vật sinh methane sinh bào tử (Methaneobacillus) -Các vi sinh vật hình cầu sinh methane (Methanococcus) -Các 8 cầu khuẩn sinh methane (Methanosarcina) Hình 6.5: Khuẩn lạc Methanosarcina acetivorans. 132 Methanobacterium formocicum Methanospirillum sp.strain TM20-1 Hình 6.6: Hình dạng một số loài vi khuẩn methane Người ta thường gặp những vi sinh vật sinh methane ở đáy những ao hồ, đầm và đáy biển, nơi mà điều kiện kỵ khí rất thuận lợi cho chúng phát triển. Methaneobacterium barkeri. Có khả năng chuyển hoá CO thành CH 4 . Sản phẩm trung gian của quá trình chuyển hoá là CO 2 và H 2 . 4CO + 4H 2 O → 4 CO 2 + 4H CO 2 + 4H 2 → CH 4 + H 2 O 4CO + 2H 2 O → CH 4 + 3CO 2 Vi khuẩn sinh methane được chứng minh là loại vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp mạnh vitamin B 12 . Sơ đồ giả thuyết về sự hình thành CH 4 từ CO 2 hoặc acetate ở vi khuẩn sinh methane có thể được trình bày như sau: [...]... ngay bởi một cơ thể đối tác (như một vi khuẩn sinh methane) thì Syntrophomonas lại sinh trưởng rất tốt trong ống giống cấy chung với bọn tiêu thụ H2 V Lên men rượu nhờ nấm men và vi khuẩn Ethanol là một trong số các sản phẩm lên men phổ biến nhất gặp ở vi sinh vật Bản thân thực vật và nhiều loài nấm cũng tích lũy ethanol dưới các điều kiện kị khí Vi sinh vật sản sinh ethanol chủ yếu là nấm men, đặc... trợ giúp sinh trưởng cho một vi khuẩn Nếu như phản ứng có thể ghép đôi được với một građien ion thì sự sản sinh ATP vẫn có khả năng xảy ra và do vậy vẫn có sinh trưởng (Hình 6.1) IV Hiện tượng cộng dưỡng (syntrophy) Trong vi sinh vật học có nhiều ví dụ về hiện tượng cộng dưỡng, một hiện tượng mà hai sinh vật khác nhau có thể cùng nhau phân giải một chất nào đó - và bảo toàn năng lượng của quá trình phân... ngô rẻ tiền  155 Hình 6.3: Hiệu ứng Pasteur Cơ chế điều hòa nhờ enzyme dị lập thể Phosphofructosekinase Nấm men rất mẫn cảm với sự ức chế bởi ethanol Nồng độ 1-2% (w/v) đã đủ để làm chậm sinh trưởng của vi sinh vật và ở nồng độ cồn 10% (w/v) tốc độ sinh trưởng của nấm men gần như ngừng hẳn Bản chất của hiện tượng kìm hãm này là rất phức tạp Vi c thêm cồn vào pha log làm giảm nhanh tốc độ sinh trưởng...133 Hình 6.7: Sơ đồ giả thiết sinh tổng hợp VTM B12 ở vi khuẩn sinh methane V Hô hấp carbonate tạo thành acetate Quá trình hô hấp carbonate tạo thành acetate mới được phát hiện gần đây ở vi khuẩn methane, khử sulfate Hình 6.8: Hình dạng Vi khuẩn Methanobacterium thermoautotrophicum Kết quả nghiên cứu ở vi khuẩn Methanobacterium thermoautotrophicum cho thấy như sau:... vậy, các vi khuẩn thuộc họ Lactobacteriaceae có khả năng sinh trưởng khi có mặt oxi không khí, chúng thuộc bọn kị khí song đồng thời cũng là bọn chịu khí Một vi khuẩn sinh trưởng hiếu khí mà không chứa catalase thì gần như chắc chắn đó là một vi khuẩn lactic (trừ ngoại lệ Acetobacter peroxydans và Shigella dysenteriae) 1 Nhu cầu về các chất bổ sung và nhân tố sinh trưởng Một đặc điểm nữa của các vi khuẩn... khí dihydro (H2) sinh ra bởi một trong hai đối tác và được tiêu thụ bởi đối tác kia Do vậy, cho đến nay, cộng dưỡng cũng còn được gọi là sự chuyển H2 liên loài Kẻ tiêu thụ H2 có thể là bất kỳ một cơ thể nào trong số các vi khuẩn khử sunfat, lên men homoacetate, và vi khuẩn sinh methane Hãy xem xét trường hợp cộng dưỡng liên quan tới quá trình lên men ethanol thành acetate và sự sản sinh methane sau... nhiên, H2 được sinh ra bởi đối tác lên men rượu lại là một chất cho điện tử đầy giá trị đối với quá trình hình thành methane do một vi khuẩn sinh methane thực hiện Và khi cộng hai phản ứng lại thì phản ứng tổng thể sẽ là một phản ứng toả nhiệt và có thể trợ giúp sinh trưởng của cả hai đối tác trong hỗn hợp cộng dưỡng Lên men ethanol 2CH3CH2OH + 2H2O → 4H2 + 2CH3COO- +2H+ +19,4 kJ /phản ứng Sinh methane... các hợp chất thơm Chẳng hạn, vi khuẩn Pelobacter acidigallici lên men hợp chất thơm phloroglucinol (1,3 ,5- benzenetriol, C6H6O3) theo con đường sau : Phloroglucinol (C6H6O3) +3 H2O → 3 acetate- + 3H+, ΔGo' = -142 ,5 kJ/phản ứng Nhiều quá trình lên men không thông thường chỉ được thực hiện bởi một nhóm rất hạn chế các vi khuẩn kị khí, và trong một sồ trường hợp chỉ bởi một vi khuẩn duy nhất Một số ví dụ... giữa 3 ,5- 6,0 và nhiệt độ từ 28-35oC Hiện nay người ta quan tâm nhiều đến vi c tạo ra các thể đột biến khuyết hô hấp từ nấm men nhờ vi c sử dụng các tác nhân hóa học như các thuốc nhuộm hoặc các hợp chất làm biến tính protein Các biến chủng này chứa ADN ti thể đã bị biến đổi theo hướng ức chế sự tạo ra các enzyme cần thiết cho sự trao đổi chất hiếu khí và do vậy thích hợp với sự tổng hợp rượu 5 Hiệu... duy nhất Một số ví dụ được nêu trên bảng 6.2 Nhiều trong số các vi khuẩn này có thể được xem như các chuyên gia về trao đổi chất vì chúng có khả năng phân giải một hoặc nhiều cơ chất mà các vi khuẩn khác không phân giải được Bảng 6 2: Một số quá trình lên men không thông thường Kiểu lên men Acetylen Glycerin Phản ứng cân bằng Vi sinh vật thực hiện tổng thể 2 C2H2 + 3 H2O → Ethanol + Pelobacter acetylenicus . cao. Những vi sinh vật sinh methane bao gồm 4 nhóm phụ khác nhau về hình thái: -Các vi sinh vật sinh methane không sinh bào tử (Methanobacterium) -Các vi sinh vật sinh methane sinh bào tử. trò của vi sinh vật trong vòng tuần hoàn nitơ? 9. Vai trò của vi sinh vật trong tuần hoàn carbon? 127 Chương 6 Hô hấp kị khí I.Khái niệm chung Nhiều vi khuẩn hiếu khí có thể sinh trưởng. phosphoryl hóa trong chuỗi hô hấp, vì vậy quá trình phản nitrate hóa đảm bảo hoạt tính sinh trưởng của vi sinh vật ở mức độ cao. Ở nhiều loại vi sinh vật có khả năng hô hấp nitrate như E.coli