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: 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: Theo con đường này, 1phân tử CO 2 bị [H] có năng lực khử thành CH 3 -X, 1phân tử CO 2 khác bị CO dehydrogenase khử thành CO. Qua quá trình cacbocyl hóa CH 3 X sẽ sinh ra Acetyl-X, sau đó thành Acetyl-CoA. Dưới sự xúc tác của piruvate siterase, Acetyl-CoA sẽ tiếp thu 3 phân tử CO 2 để cacbocyl hóa thành acid pyruvic. Acid pyruvic thông qua các con đường trao đổi chất quen thuộc để tổng hợp ra các chất hữu cơ cần thết cho tế bào. 134 Câu hỏi ôn tập chương 6 1. So sánh những điểm khác nhau giữa hô hấp hiếu khí và hô hấp kỵ khí ? 2. Những điểm giống nhau và khác nhau giữa hô hấp nitrate và hô hấp sulfate. 3. Vị trí vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc, nấm men trong các hệ thống phân loại hiện nay ? 4. Vai trò của vi khuẩn methane trong thiên nhiên và trong đời sống con người ? . 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. 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. 1. So sánh những điểm khác nhau giữa hô hấp hiếu khí và hô hấp kỵ khí ? 2. Những điểm giống nhau và khác nhau giữa hô hấp nitrate và hô hấp sulfate. 3. Vị trí vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc,