Bài giảng vi sinh vật học chương 6 pgs ts nguyễn đức hoàng

Chương 6: Sinh thái học vi sinh vật Mục tiêu sinh thái học vi sinh vật Đặc điểm vi sinh vật tự nhiên Các phương pháp nghiên cứu sinh thái học vi sinh vật Hoạt động vai trò vi sinh vật hệ sinh thái Vai trò vi sinh vật chu trình sinh điạ hóa nguyên tố Sinh thái học vi sinh vật - Sinh thái học (ecology): nghiên cứu hình thành, tồn phát triển hệ thống sinh vật với điều kiện không sống định mối quan hệ hữu tác động qua lại với - Sinh thái học vi sinh vật (microbial ecology): nghiên cứu vi sinh vật khía cạnh sinh thái hoïc + Làm quần thể (population) tụ tập lại hình thành quần xã (community) + Làm để quần xã tương tác với tương tác mơi trường Mục tiêu sinh thái học vi sinh vật - Nghiên cứu đa dạng sinh học (biodiversity): xác định chủng loại số lượng VSV tự nhiên, nghiên cứu tương tác quần dưỡng khác quần xã (giúp phân lập VSV quan tâm) - Nghiên cứu hoạt tính VSV (microbial activity): đo q trình biến dưỡng tự nhiên giàm sát tác động VSV lên hệ sinh thái - VSV học môi trường/Vi sinh mơi trường (Environmental Microbiology) Ý nghóa nghiên cứu sinh thái học VSV - Vi sinh vật có vai trò thiết yếu cho trì phát triển hệ sinh thái: + Thu lấy lượng ánh sáng, cố định đạm, cố định CO2, tạo O2,phân hủy chất hữu + Là tác nhân thực phản ứng chu trình sinh địa hóa nguyên tố cần cho sống + Là tác nhân giúp phân hủy độc chất, phục hồi môi trường - Sinh thái học VSV giúp hiểu tương tác VSV với với môi trường, hiểu vai trò VSV điều kiện tự nhiên hệ sinh thái - Giúp hiểu mơi sinh VSV từ phân lập VSV quan tâm Habitat, niche, microenvironment - Môi trường sống vi sinh vật: + Habitat: môi trường sống nơi quần thể, quần dưỡng hình thành quần xã + Niche: vi môi trường tối ưu cho tăng trưởng VSV - Trong tự nhiên, vi môi trường (microenvironment) nơi mà VSV thực tế sống biến dưỡng: + Các điều kiện hóa lý vi môi trường biến đổi nhanh theo không gian thời gian + Trong không gian vật lý hẹp có tồn nhiều vi môi trường khác + Tính không đồng vi môi trường định tính đa dạng VSV Oxygen microenvironments Bề mặt màng sinh khối (biofilm) - Bề mặt (surface): môi sinh quan trọng cho VSV: cung cấp chất dinh dưỡng, bảo vệ tránh kẻ thù thay đổi hóa lý, làm giá đỡ để giữ vi sinh vật khỏi bị rữa trôi - Chất dinh dưỡng nhân tố hạn chế tốc độ tăng trưởng hầu hết môi trường tự nhiên cung cấp dạng xung - Vi sinh vật thường diện bề mặt giá thể nồng độ chất dinh dưỡng giới hạn cao tạo thành màng sinh khối (biofilm) tập hợp khuẩn lạc quần thể khác Tăng trưởng VSV tự nhiên - Chất dinh dưỡng tự nhiên - tài nguyên (resources) cho VSV không cung cấp liên tục - VSV tăng trưởng thành xung theo nguồn tài nguyên môi trường - Các chất dự trữ tế bào (PHA, PHB, polysaccharide, polyphosphate) sử dụng nguồn tài nguyên bị cạn kiệt - Đặc điểm chung tăng trưởng VSV tự nhiên: + Tăng trưởng hàm mũ thường ngắn + Tốc độ tăng trưởng nhỏ nhiều so với trường hợp nuôi cấy chủng phòng thí nghiệm - Tốc độ tăng trưởng chậm do: + Nguồn chất dinh dưỡng thấp + Phân bố chất dinh dưỡng không đồng + Bị cạnh tranh quần thể khác Sự hình thành Biofilm Vi sinh vật ống thép nhuộm DAPI Sự hình thành quần xã vi sinh vật - Các mức tổ chức vi sinh vật tự nhiên + Tế bào + Quần thể (population): tập hợp tế bào loài, hình thành tăng trưởng tế bào riêng biệt vi môi trường định + Quần dưỡng (guild): tập hợp quần thể khác loài có đặc tính chung nguồn chất dinh dưỡng, yếu tố hoá lý vi môi trường + Quần xã, hệ vi sinh vật (community): tập hợp nhiều quần dưỡng diện điều kiện môi trường, tiến hành trình sinh lý bổ trợ để tăng trưởng + Hệ sinh thái (ecosystem): nhiều quần xã đựợc hình thành có mối quan hệ với lượng vật chất Các phương pháp nghiên cứu sinh thái học vi sinh vật - Phương pháp xác định độ đa dạng: + Phương pháp nuôi cấy phương pháp không nuôi cấy + Phương pháp dựa kiểu hình phương pháp dựa kiểu gen + Phương pháp định tính phương pháp định lượng - Phương pháp xác định hoạt tính: + Tốc độ biến dưỡng tài nguyên + Tốc độ tăng trưởng Phương pháp nghiên cứu tính đa dạng Phương pháp nuôi cấy - Nuôi tích lũy (enrichment culture): dùng môi trường chọn lọc điều kiện tốt ưu để làm tăng tỷ lệ diện tương đối vi sinh vật mục tiêu từ nguồn tự nhiên - Phân lập (isolation) làm vi sinh vật mục tiêu Nuôi tích lũy - Nuôi tích lũy = nuôi làm giàu - Nuôi tích lũy hệ kín: + Môi trường chọn lọc lỏng, điều kiện hóa lý chọn lọc, nguồn phân lập thích hợp + Chỉ thu quần thể tăng trưởng nhanh quần dưỡng - Nhược điểm phương pháp nuôi tích lũy phân tích tính đa dạng: quần thể thu nuôi tích lũy không quần thể chiếm ưu mẫu Nuôi tích lũy cột Winogradski - Cột Winogradski: + Bùn, nước ao hồ có bổ sung chất hữu quan tâm + Thu nhiều quần thể đa dạng nhiều quần dưỡng Nuôi tích lũy hệ ổn hóa - Hệ ổn hóa (chemostat): + Nuôi cấy liên tục môi trường lỏng chứa nguồn carbon quan tâm + Làm giàu phân lập quần thể biến dưỡng độc chất Phân lập làm + Hộp ria (streak plate): phân lập chủng hiếu khí kỵ khí không nghiêm ngặt + Pha loãng tới hạn (extincting dilution): phân lập chủng hiều khí + Pha loãng ống thạch mềm (agar shake tube method): phân lập chủng kỵ khí - Các phương pháp pha loãng dùng để xác định quần thể chiếm ưu mẫu Cách thức kiểm tra chủng - Quan sát kính hiển vi - Quan sát đặc diểm khuẩn lạc đĩa hay ống lắc - Kiểm tra phát triển mơi trường khác Định danh chủng - Phương pháp sinh hóa, miễn dịch - Phương pháp giải trình tự SSU-rRNA (small subunit ribosomal RNA) - Phương pháp lai phân tử với mẫu dò chuyên biệt - Phương pháp lai với mẫu dò phát sinh loài (phylogenic probe) - Phương pháp FISH (fluorescent in situ hybridization) Kỹ thuật FISH - Kỹ thuật FISH: lai phân tử mẫu tự nhiên mẫu dò đánh dấu huỳnh quang - Mẫu dò: + Mẫu dò phát sinh loài: trình tự nhận diện vi sinh vật mức phân loại khác + Mẫu dò chuyên biệt gen mục tiêu - Sử dụng đồng thời nhiều mẫu dò phát sinh loài đánh dấu hùynh quang khác Ứng dụng FISH nghiên cứu sinh thái học vi sinh vật - Phân lập vi sinh vật - Định tính định lượng vi sinh vật - Nghiên thành phần tương tác vi sinh vật: + Sử dụng đồng thời nhiều mẫu dò phát sinh loài đánh dấu hùynh quang khác nhau: quan sát đặc trưng hóa thành phần vi sinh vật + Kết hợp FISH với confocal laser microscope: quan sát đặc trưng hóa thành phần, tương tác nhóm vi sinh vật khác mẫu tự nhiên + Đối với vi sinh vật chưa thể nuôi cấy: mô tả hình thái, mật độ tương tác với sinh vật khác - Nghiên cứu hoạt tính vi sinh vật: kỹ thuật ISRT Phân lập kỹ thuật Nhíp quang học - Nhíp quang học (Optical tweezer): + Kính hiển vi đảo trang bị nguồn laser hồng ngoại mạnh vi thao tác chứa ống mao quản - Phân lập nhíp quang học: + Tế bào mục tiêu đánh dấu huỳnh quang phát hiện, tách khỏi tế bào khác ống mao quản lực chùm ánh sáng laser + Cắt ống mao quản thu nhận tế bào mục tiêu - Ứng dụng: + Phân lập chủng vi sinh vật có tốc độ tăng trưởng chậm + Phân lập vi sinh vật thiểu số quần xã + Ứng dụng khác: phân lập, tách nhóm phân tử mục tiêu, định vị trứng tinh trùng thụ tinh in vitro • FACS: fluorescence-assisted cell sorter • Metagenome: gen phức, đa gen Phát vi sinh vật kỹ thuật Nhuộm nhiễm sắc thể - Nhuộm NST (Chromosome painting): + Gen, nhóm gen, gen cắt thành đọan mẫu dò 50 - 200bp đánh dâu huỳnh quang + Lai in situ dùng kỹ thuật kính hiển vi huỳnh quang để phát vi sinh vật mục tiêu - Ứng dụng: + Tìm diện nhóm sinh lý (quần dưỡng) môi trường (vi sinh vật có mang gen, nhóm gen định: nitrogenase, thành phần hệ quang ) + Định lượng nhóm sinh lý Xác định thành phần quần xã giải trình tự SSU-rRNA - Kỹ thuật giải trình tự rRNA dùng sinh thái học vi sinh vật để phân tích thành phần quần xã vi sinh vật mà không cần phân lập, nuôi cấy chủng vi sinh vật - Qui trình: + Thu nhận DNA tổng + Dùng cặp mồi chuyên biệt (Bacteria, Archea, Eukarya, mức phân loại thấp hơn) để khuếch đại SSU-rRNA + Lập ngân hàng dòng SSU-rRNA + Tuyển chọn dòng mục tiêu lai in situ với mẫu dò phát sinh loài + Giải trình tự SSU-rRNA + Lập phát sinh loài Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) Định lượng phương pháp truyền thống - Định lượng nhóm vi sinh vật chọn lọc - Nuôi cấy môi trường chọn lọc đếm khuẩn lạc - Phương pháp MPN: + Pha loãng tới hạn mẫu tự nhiên (pha loãng bậc 10) + Lập dãy ống thử nghiệm có độ lặp lại ống với đọ pha loãng bậc 10 + Định tính diện nhóm vi sinh vật mục tiêu dựa tín hiệu dễ quan sát + Tra bảng MPN Định lượng phương pháp nhuộm huỳnh quang - Dùng phẩm nhuộm hùynh quang kính hiển vi huỳnh quang - Tín hiệu thấp mẫu tự nhiên - Định lượng tổng tế bào: + Nhuộm hùynh quang đếm kính hiển vi hùynh quang: acridine orange, DAPI (4’,6-diamido-2-phenylindole) nhuộm nucleic acid + Không phân biệt tế bào sống - chết Định lượng tế bào sống nhuộm huỳnh quang - Định lượng phân biệt tế bào sống/chết: + Nhuộm tổng tế bào phẩm phát huỳnh quang tế bào chết propidium iodide + Cho tín hiệu cao mẫu tự nhiên - Định lượng kháng thể phát huỳnh quang: + Dùng kháng thể đánh dấu huỳnh quang + Phát vi sinh vật mục tiêu, tính chuyên biệt cao - Định lượng kỹ thuaät FISH Nhuộm vi khuẩn sống: sống màu xanh, chết màu đỏ Định lượng kháng thể huỳnh quang - Định lượng kháng thể phát huỳnh quang: + Dùng kháng thể đánh dấu huỳnh quang + Phát vi sinh vật mục tiêu, tính chuyên biệt cao - Định lượng kỹ thuật FISH Định lượng mẫu dò phát sinh loài huỳnh quang - Định lượng kỹ thuật FISH (fluorescence in situ hybridization) Phương pháp nghiên cứu hoạt tính vi sinh vật tự nhiên Các phương pháp truyền thống - Thông thường phương pháp ex situ: mẫu thu, bảo quản xác định hoạt tính phòng thí nghiệm - Đo hoạt tính tổng vi sinh vật dựa mức độ tăng trưởng: + Tổng O2 tiêu thụ, tổng CO2 phóng thích + Tổng ATP - Đo tổng hoạt tính enzyme chủ yếu chuyển hóa vật chất quần dưỡng Các phương pháp in situ - Phương pháp in situ: đo đạt hoạt tính vi sinh vật môi trường vi môi trường - Phương pháp đo in situ tổng hoạt tính dựa hô hấp, ATP, đo hoạt tính chuyển hóa - Phương pháp đồng vị phóng xa: đo hoạt tính chuyển hóa với độ nhạy cao + Hoạt tính riêng (specific activity): tỷ lệ hoạt tính chất đồng vị so với hoạt tính tổng + Loại bỏ hoạt tính phản ứng phi sinh vật: đối chứng tế bào chết (killed cell control) - Phương pháp vi điện cực (microelectrode): theo dõi biến đổi thành phần hóa học vi môi trường + Các vi điện cực pH, oxygen, N2O, CO2, H2, H2S + Di chuyển theo bước  1mm micromanipulator + Dùng để nghiên cứu chuyển hóa lới sinh khối (micromat) Microbial mats Đo hoạt tính VSV Quang tự dưỡng (14CO2) Khử sulfate Tạo CO2 Oxygen microelectrode Ứng dụng FISH để nghiên cứu hoạt tính quần dưỡng kỹ thuật ISRT - ISRT (In situ Reverse transcriptase): + Lai in situ mRNA primer chuyên biệt + Thực phiên mã ngược tạo cDNA khuếch đại PCR + Lai với mẫu dò đánh dấu huỳnh quang - Ứng dụng: + Nghiên cứu xác định vi sinh vật có biểu gen quần xã thời điểm định + Xác định quần thể có hoạt tính quần dưỡng quần xã + Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố môi trường lên biểu gen quần xã Định hoạt tính vi sinh vật đồng vị bền - Đồng vị bền (stable isotope): đồng vị bền mang nhiều neutron dạng bình thường - Hiệu ứng phân đọan đồng vị (isotope fractionation): phản ứng sinh hóa có xu hướng dùng đồng vị nhẹ đồng vị nặng, làm giảm tỷ lệ tương đối đồng vị nặngï so với đồng vị nhẹ sản phẩm - Tỷ số đồng vị  (o/oo): tỷ số đồng vị nặng so với đồng vị nhẹ vật chất - Dạng đồng vị bền dùng nghiên cứu sinh thái học vi sinh vật: 13C, 34S, 18O - Ứng dụng: + Xác định thời điểm xuất sống dựa vào tỷ số đồng vị C đá cổ + Xác định thời điểm môi trường trái đất từ trạng thái khử sang trạng thái ôxi hóa Các phương pháp STH VSV Phân tích quần quần xã VSV phụ thuộc vào ni cấy - Ni cấy tích lũy - Phân lập Phân tích quần xã VSV khơng phụ thuộc vào nuôi cấy - Các phương pháp nhuộm chung - FISH (Fluorescence in situ hybridization) - Kỹ thuật PCR phân tích quần xã VSV - Microarray (Phylochip) da dạng VSV - Metagenomics phương pháp khác Đo hoạt tính vi sinh vật tự nhiên - Các PP hóa học, đồng vị phóng xạ vi điện cực - Các đồng vị bền - Liên kết gen cụ thể với chức VSV Hoạt động vai trò vi sinh vật hệ sinh thái (Các mơi sinh cho vi sinh vật) Môi trường cạn (đất) - Đặc điểm môi trường đất - MT bề mặt Môi trường nước - Đặc điểm môi trường nước - MT ao hồ - MT biển sâu - MT khe thủy nhiệt Vi sinh vật môi trường cạn - Vi sinh vật tăng trưởng chủ yếu bề mặt hạt đất - Độ đa dạng cao tồn nhiều vi môi trường khác - Các phương pháp nghiên cứu: + Tìm diện vi sinh vật: nhuộm cam acridine, DAPI, quan sát kính hiển vi hùynh quang + Tìm vi sinh vật mục tiêu: dùng kỹ thuật miễn dịch huỳnh quang FISH + Quan sát trạng thái diện bề mặt giá thể: kính hiển vi điện tử quét SEM + Các phương pháp xác định hoạt tính vi sinh vật Yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính vi sinh vật môi trường đất - Độ ẩm: ảnh hưởng mạnh đến hoạt tính vi sinh vật + Thay đổi với phạm vi rộng môi trường đất + Ảnh hưởng đến ôxi đất: đất nước có nồng độ ôxi khuếch tán cao, đất nhiều nước thường làm môi trường kỵ khí - Chất dinh dưỡng: ảnh hưởng mạnh đến mật độ hoạt tính vi sinh vật + Chất dinh dưỡng hữu tập trung bề mặt hạt đất vùng quanh rễ + Chất dinh dưỡng giới hạn thường chất dinh dưỡng vô cơ, đặc biệt P, N Vi sinh vật tầng sâu - Mẫu đất độ sâu đến 300m có đa dạng cao vi sinh vật kỵ khí, kỵ khí tùy ý hiếu khí: + Chất dinh dưỡng từ nước ngầm thấm qua + Hoạt tính biến dưỡng thấp nhiều so với vi sinh vật mặt đất - Mẫu đất độ sâu 1.500m có đa dạng vi khuẩn kỵ khí: + Chứng minh có hoạt động dạng hóa vô (khử sulfate, sinh methane, sinh acetate đồng hình) phân tích tỷ số đồng vị CH4 + Chất cho điện tử H2, chất nhận điện tử CO2, SO42+ Nguồn tạo chất cho điện tử phản ứng hóa học H2O FeO - Ý nghóa: + Vô hóa hợp chất hữu tạo thành phần hóa học nước ngầm + + In situ bioremediation chất ô nhiễm Vi sinh vật hệ sinh thái ao hồ - Thành phần hoạt tính vi sinh vật thay đổi theo tính chất hóa lý môi trường nước: - Hầu hết vi sinh vật tham gia vào chu trình sinh địa hóa nguyên tố diện - Vi sinh vật thành phần quang quan trọng nhất: + Quang hợp sinh ôxi: tảo lam, tảo + Quang hợp không sinh ôxi: vi khuẩn quang dưỡng - Hình thành chuỗi thực phẩm suất sinh học phụ thuộc vào tốc độ sản xuất sơ cấp - Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần hoạt tính vi sinh vật: + O2 tan làm thay đổi môi trường vận tốc chuyển hóa chất hữu + Các chất vô (NO3-, PO43-) tạo phát triển bùng nổ tảo, ảnh hưởng đến O2 tan Ảnh hưởng ôxi tan chất hữu lên vi sinh vật môi trường nước - Ôxi chu trình carbon có quan hệ chặt chẽ với nhau: nồng độ ôxi tan tỷ lệ nghịch với nồng độ chất hữu tan - BOD (biochemical oxygen demand) biều thị lượng chất hữu tan - Nồng độ ôxi tan nước chịu ảnh hưởng yếu tố thủy triều, tốc độ dòng chảy, nhiệt độ theo mùa - Ôxi tan làm môi trường nước trở nên hiếu khí hay yếm khí, ảnh hưởng đến thành phần hoạt tính vi sinh vật, thành vật thực, động vật thủy sinh chất lượng môi trường nước Vi sinh vật biển sâu - Đặc điểm hóa lý môi trường biển sâu: + Độ sâu 1000m, chiếm 75% tổng dung tích nước đại dương + Ít chất dinh dưỡng, ánh sáng, lạnh (2 - 3C), áp suất thủy tónh cao (+1atm/10m sâu) - Đặc điểm vi sinh vật: + Ưa hàn (psychrophilic) ưa hàn cực đoan (extreme psychrophilic) + Chịu áp (barotolerant): tăng trưởng áp suất bình thường 300atm + Ưa áp (barophilic): tăng trưởng tối ưu 400atm + Ưa áp cực đoan (extreme barophilic): tăng trưởng áp lực tên 300atm, tối ưu 700 - 800atm Ý nghóa nghiên cứu vi sinh vật biển sâu - Barophile mô hình để nghiên cứu ảnh hưởng áp suất lên biểu gen, hoạt động protein hoạt động màng - Áp suất cao: + Làm giảm hoạt tính enzyme làm giảm lực với chất + Làm tăng thành phần axít béo không bão hòa + Cảm ứng tổng hợp porin OmpH màng - Gen mã hóa OmpH từ barophlie cảm ứng biểu mức phiên mã E coli áp suất 200atm: + Omp H porin khác với porin tổng hợp 1atm + Cơ chế cảm ứng biểu gen: bất hoạt repressor hoạt hóa actitvator áp suất cao? Vi sinh vật khe thủy nhiệt - Khe thủy nhiệt (hydrothermal vent): dòng phun nước nóng mang nhiều chất khoáng tạo vết nứt lòng biển sâu: + Khe ấm: dòng phun tốc độ 0,2 - 5cm/giây có nhiệt độ - 23C (so với 2C) + Khe nóng: dòng phun tốc độ - 2m/giây màu đen chứa nhiều khoáng chất, nhiệt độ 270 - 380C - Vi sinh vật khe thủy nhiệt: sinh vật sản xuất hóa vô + Mật độ cao vi khuẩn hóa vô ôxi hóa H2, hợp chất khử lưu huỳnh, nitrogen, carbon, sắt + Có khả cố định CO2 - Sự cộng sinh vi khuẩn Thiovulum dưỡng thể (trophosome) trùn khổng lồ Pogonophora: trùn thu thập, cung cấp O2, khoáng chất cho vi khuẩn, vi khuẩn cung cấp dưỡng chất cho trùn Chuỗi thực phẩm khe thủy nhiệt: - Chuỗi thực phẩm hai thành phần: + Sinh vật sản xuất hóa vô + Sinh vật tiêu thụ: động vật cộng sinh với sinh vật sản xuất Vai trò vi sinh vật chu trình sinh điạ hóa nguyên tố cần cho sống - Chu trình carbon - Sự tổng hợp methane - Chu trình ni tơ - Chu trình lưu huỳnh - Chu trình sắt - Chu trình thủy ngân - Sự phân hủy chất dị sinh - Sự thủy phân polymer tổng hợp Chu trình carbon - Chu trình C có quan hệ chặt chẽ với chu trình O thông qua họat tính bổ trợ sinh vật tự dưỡng (cố định CO2 tạo O2) sinh vật dị dưỡng (phóng thích CO2, tiêu thụ O2) - Các dự trữ C tự nhiên: khí quyển, đất, đại dương, trầm tích, đá sinh khối - Tốc độ lưu chuyển C qua dự trữ khác nhau, tốc độ cao khí sinh khối phương thức cố định CO2 tự dưỡng hô hấp hữu hiếu khí dị dưỡng - Sự chuyển hóa C qua khử khác CH4, (CH2O)n, CO2 điều kiện có ôxi có tham gia vi sinh vật Các chuyển hóa có ý nghóa sinh thái chu trình C - Cố định CO2 vi sinh vật quang vi sinh vật hóa vô bước chuyển hóa quan trọng nhất: + Hình thành chất hữu + Luân chuyển C từ khu vực phi sinh học (khí quyển) sang khu vực sinh học (sinh khối) + Sinh hình thành sở hai chuyển hóa C ngược quang hợp hô hấp, cán cân quang hợp nặng hô hấp - Sự phân hủy sinh khối, chất hữu vi sinh vật thành CO2: + Phân hủy kỵ khí chất hữu thành CH4 CO2 + Ôxi hóa CH4 thành CO2 + CO2 phân hủy vi sinh vật chiếm phần quan trọng phóng thích CO2 vào khí Phân hủy kỵ khí chất hữu vai trò cộng dưỡng - Phân hủy hợp chất hữu điều kiện kỵ khí: + Thủy phân đại phân tử thành đơn phân + Lên men sơ cấp tạo H2, CO2, cồn axít béo + Tiêu thụ H2, CO2 chuyển hóa cộng dưỡng cồn, axít béo + Tạo CH4 - Cạnh tranh tiêu thụ H2 điều kiện kỵ khí: + Tạo CH4 (methanogenesis), tạo acetate (acetogenesis) tạo H2S (sulfidogenesis) + Trong môi trường sulfate: cạnh tranh sinh methane sinh acetate (Methanogen chiếm ưu dày động vật nhai lại; Homoacetogen chiếm ưu ruột mối) + Trong môi trường có sulfate: vi khuẩn khử sulfate chiếm ưu - Sự cộng dưỡng (syntrophism): + Có ý nghóa quan trọng chuyển hóa kỵ khí tiếp tục chất hữu sản phẩm lên men sơ cấp + Cộng dưỡng syntroph loài methanogen tiêu thụ H2 Chu trình nitrogen - Nitrogen nguyên tố thiết yếu sinh chất - Trong tự nhiên diện khử khác nhau: NH3, NH2-, N2, N2O, NO, NO2-, NO3- Dự trữ nitrogen quan trọng N2 khí - Sự chuyển hóa qua lại dạng cần có vai trò vi sinh vật - Cố định nitrogen: + Được thực số vi sinh vật cố định đạm tự cộng sinh + Chuyển N từ dạng sử dụng đa số sinh vật thành dạng sử dụng + Dạng cố định NH3 chuyển từ khu vực phi sinh vật vào sinh khối (NH2-) vi sinh vật, thực vật - Ammôn hóa: NH3 tạo phân hủy N hữu + NH3 tái sử dụng thực vật, vi sinh vật, tồn bền dạng NH4+ điều kiện kỵ khí hấp phụ mạnh hạt đất, tan nước - Nitrate hóa NH3: NH3 bị ôxi hóa vi khuẩn nitrite hóa nitrate hóa thành NO2- NO3- + NO3- tan tốt nước dễ bị rửa trôi, làm thất thóat đạm đất - Phản nitrate hóa: + NO3- bị khử bới vi sinh vật kỵ khí thành N2 làm thất thóat đạm đất + Giảm NO3- nước, cản trở tượng nở hoa tảo làm ô nhiễm nước Chu trình lưu hùynh - Lưu huỳnh tồn chủ yếu ba dạng khử S2-, S0 S+6 - Dự trữ chủ yếu dạng CaSO4 FeS2 - Các phản ứng chuyển hóa dạng S vi sinh vật phản ứng hóa chất - H2S: + Được tạo khử sulfate phân hủy amino acid chứa -SH: + Môi trường kỵ khí có hiên diện sulfate chất hữu + Có độc tính sinh vật hiếu khí - Ôxi hóa hợp chất sulfide: + H2S bị ôxi hóa hóa học điều kiện có ôxi + Trong môi trường vi hiếu khí bị ôxi hóa vi sinh vật + Trong môi trường có ánh sáng, ôxi, bị ôxi hóa kỵ khí vi khuẩn quang hợp - Ôxi hóa lưu huỳnh vi sinh vật thành SO42- H+ làm giảm pH - Chuyển hóa lưu huỳnh hữu (dimethyl sulfide) vi sinh vật: + Chất cho điện tử để tạo lực khử vi khuẩn tía + Chất cho điện tử để thu lượng + Chất nhận điện tử hô hấp kỵ khí + Cơ chất lên men sinh methane Chu trình sắt - Hai dạng khử sắt tự nhiên Fe2+ Fe3+ phụ thuộc vào pH O2 - Fe3+: tan nước pH axít dạng phức hợp với hợp chất hữu cơ; bị khử thành Fe2+ phản ứng hóa học vi sinh vật - Fe2+ bị ôxi hóa O2 thành Fe3+ + Bền điều kiện O2 môi trường có O2 pH axít + Trong không khí pH axít, Fe2+ chất cho điện tử vi sinh vật (Thiobacillus ferrooxidans) tạo Fe3+ Chu trình sắt tượng nước rỉ chứa axít mỏ khoáng + Pyrite FeS2 diện quặng khoáng bị ôxi hóa thành Fe2+ H2SO4 + Fe2+ bị ôxi hóa Thiobacillus ferrooxidans thành Fe3+ + Fe3+ phản ứng hóa học với FeS2 thành Fe2+ H2SO4 + Ô nhiễm môi trường xít Fe2+ rò rỉ vào nước Làm giàu quặng VSV - Ứng dụng làm giàu quặng khoáng đồng, uranium) vi sinh vật: + Quặng bị ôxí hóa Fe3+ điều kiện kỵ khí thành dạng ion tan + Ion kim loai bị khử thành kim loai Fe tạo Fe2+ + Fe2+ bị ôxi hóa Thiobacillus ferrooxidans thành Fe3+ Chuyển hóa Hg - Hg phóng thích nhiều vào môi trường từ công nghiệp nông dược, điện tử, hóa chất - Các dạng lực khử khác Hg: Hg0, Hg2+, CH3Hg+, CH3HgCH3, HgS, CH3Hg+ có độc tính cao tính tụ chuỗi thực phẩm - Các chuyển hóa: + Ôxi hóa Hg0 thành Hg2+ phản ứng quang hóa + Methyl hóa Hg2+ thành CH3Hg+ CH3HgCH3 vi sinh vật + Sulfide hóa Hg2+ thành HgS vi khuẩn khử sulfate + Khử CH3Hg+ thành Hg0 CH4 vi khuẩn sinh methane Cơ chế kháng độc tính thủy ngân VSV - Ở Pseudomonas aeruginosa: + Plasmid chứa operon mer + Một sản phẩm Hg2+-reductase khử Hg2+ thành Hg0 + Hg0 thăng hoa khỏi tế bào Các chất dị sinh - Chất dị sinh (xenobiotics) hợp chất tổng hợp hóa học phóng thích với số lượng lớn vào môi trường - Thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ Chuyển hóa chất dị sinh chứa chlor - Khử chlor kỵ khí (reductive dechlorination) thuốc trừ sâu chứa chlor vi sinh vật : + Chất cho điện tử: acetate, formate hay H2 + Chất nhận điện tử: thuốc trừ sâu chứa chlor - Khử chlor hiếu khí (aerobic dechlorination) vi sinh vật: sau bước khử chlor bước phân hủy vòng benzene tác dụng oxygenase cuối thành axít béo bậc thấp - Trong tự nhiên khử chlor kỵ khí có vai trò quan trọng xu hình thành môi trường ôxi Chất dẽo tổng hợp bị phân hủy sinh hoïc Sinh thái học vi sinh vật Cập nhật chương theo thứ tự chương 22, 23, 24 25 Brock Biology of Microorganism Giới thiệu chung sinh thái học VSV Các phương pháp nghiên cứu sinh thái học VSV Các mơi sinh cho VSV đa dạng Chu trình sinh địa hóa, biodegradation and bioremediation Cộng sinh VSV ... FISH nghiên cứu sinh thái học vi sinh vật - Phân lập vi sinh vật - Định tính định lượng vi sinh vật - Nghiên thành phần tương tác vi sinh vật: + Sử dụng đồng thời nhiều mẫu dò phát sinh loài đánh.. .Sinh thái học vi sinh vật - Sinh thái học (ecology): nghiên cứu hình thành, tồn phát triển hệ thống sinh vật với điều kiện không sống định mối quan hệ hữu tác động qua lại với - Sinh thái học. .. SSU-rRNA - Kỹ thuật giải trình tự rRNA dùng sinh thái học vi sinh vật để phân tích thành phần quần xã vi sinh vật mà không cần phân lập, nuôi cấy chủng vi sinh vật - Qui trình: + Thu nhận DNA tổng +