Vi khuẩn quang hợp và cố định đạm pdf

Chương 9 Vi khuẩn quang hợp và cố định đạm I.Vi sinh vật quang hợp 1.Các vi khuẩn quang quang hợp Phototrophic bacteria 1.Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía Purple sulfur bacteria: a- Nhóm I

Chương 9

Vi khuẩn quang hợp và cố định đạm

I.Vi sinh vật quang hợp

1.Các vi khuẩn quang quang hợp (Phototrophic bacteria)

1.Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (Purple sulfur bacteria):

a- Nhóm I (có tác giả gọi là bộ Chroococcales):

b- Nhóm II (có tác giả gọi là bộ Pleurocapsales):

c- Nhóm III (có tác giả gọi là bộ Oscillatorriales):

d- Nhóm IV (có tác giả gọi là bộ Nostocales) :

e- Nhóm V (có tác giả gọi là bộ Stigonematales)

1.1.Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (Purple sulfur bacteria)

Thuộc nhóm này là các vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, có khả năng quang

tự dưỡng vô cơ (photolithoautotroph), tế bào có chứa chlorophyll a hoặc b , hệ thống quang hợp chứa các màng hình cầu hay hình phiến (lamellar) gắn với màng sinh chất Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang hợp thường sử dụng H2, H2S hay S Có khả năng di động với tiên mao mọc ở cực, có loài chu mao, tỷ lệ G+C là 45-70%

b- Họ Ectothiorhodospiraceae:

1.1- Chi Ectothiorhodospirace

1.2- Chi Halorhodospira

1.2-Vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía (Nonsulfure purple bacteria)

Vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía là nhóm vi khuẩn quang dị dưỡng hữu cơ (photoorganoheterotrophs) thường kỵ khí bắt buộc, một số loài là quang tự dưỡng vô cơ không bắt buộc (trong tối là hoá dị dưỡng hữu cơ- chemoorganoheterotrophs) Tế bào chứa chlorophyl a hoặc b, hệ thống quang hợp chứa các màng hình cầu hay hình phiến (lamellar) gắn với màng sinh chất Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang hợp thường sử dụng chất hữu cơ, đôi khi sử dụng hợp chất lưu huỳnh dạng khử hoặc H2 Có khả năng di động với tiên mao mọc ở cực, hoặc không di động, một số loài có túi khí (gas vesicles), tỷ lệ G+C là 61-72%

Rhodospirillum Rhodospirillum dưới KHV điện tử

Rhodopseudomonas Rhodopseudomonas dưới KHV điện tử

Rhodobacter Rhodopila

Rhodocyclus purpureus Rhomicrobium

Hình 9.2: Một số đại diện vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía

1.3.Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục (Green sulfure bacteria)

Thuộc nhóm này là các vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, có khả năng quang

tự dưỡng vô cơ (photolithoautotroph), tế bào có chứa chlorophyll a cùng với b , c hoặc e, chứa caroten nhóm 5, hệ thống quang hợp liên quan đến các lục thể (chlorosom) và độc lập đối với màng sinh chất Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang hợp thường sử dụng H2,

H2S hay S Hạt lưu huỳnh tích luỹ bên ngoài tế bào Không có khả năng

Chlorobium Pelodictyon Prosthecochloris

Hình 9.3: Một số đại diện vi khuẩn lưu huỳnh màu lục

1.4.Vi khuẩn không lưu huỳnh màu lục (Green nonsulfur bacteria)

Thuộc nhóm này là các vi khuẩn đa bào, dạng sợi,thường kỵ khí không bắt buộc ,thường là quang dị dưỡng (photoheterotroph), có loài quang tự dưỡng hoặc hoá dị dưỡng Tế bào có chứa chlorophyll a và c, trong điều kiện kỵ khí thấy có chlorosom Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang dị dưỡng là glucose, axit amin, axit hữu cơ; trong quang tự dưỡng là H2, H2S Di động bằng phương thức trườn

(gliding) , tỷ lệ G+C là 53-55% Chi điển hình là Chloroflexus., Chloronema

Chloronema Chloroflexus

Hình 9.4: Một số đại diện vi khuẩn không lưu huỳnh màu lục

1.5- Vi khuẩn lam (Ngành Cyanobacteria)

Theo NCBT (2005) thì Vi khuẩn lam bao gồm những bộ sau đây:

Trước đây thường nhầm lẫn là Tảo lam (Cyanophyta) Thực ra đây

là những cơ thể nhân nguyên thuỷ, không liên quan gì đến tảo , ngoài khả năng quang hợp hiếu khí (quang tự dưỡng vô cơ) và dùng H2O làm chất cho điện tử trong quá trình quang hợp Vi khuẩn lam chứa chlorophyll a

và phycocyanin- phycobiliprotein Một số loài có sắc tố đỏ phycoerythrin Chúng phối hợp với sắc tố lục tạo nên màu nâu Màng liên kết với phycobilisom Đơn bào hoặc đa bào dạng sơi Không di động hoặc di động bằng cách trườn (gliding), một số loài có túi khí (gas vesicles).Nhiều loại

có dị tế bào (heterocysts) và có khả năng cố định nitơ Vi khuẩn lam có mặt ở khắp mọi nơi, trong đất, trên đá, trong suối nước nóng, trong nước ngọt và nước mặn Chúng có năng lực chống chịu cao hơn so với thực vật đối với các điều kiện bất lợi như nhiệt độ cao, pH thấp Một số loài có khả năng sống cộng sinh với các cơ thể khác như Rêu, Dương xỉ, Tuế Nhiều loài cộng sinh với nấm để tạo ra Địa y (Lichen) Vi khuẩn lam có thể là sinh vật xuất hiện sớm nhất trên Trái đất

Vi khuẩn lam được chia thành 5 nhóm (subsection) như sau:

a- Nhóm I (có tác giả gọi là bộ Chroococcales):

Hình que hoặc hình cầu đơn bào, không có dạng sợi hay dạng kết khối (aggregate); phân đôi hoặc nẩy chồi; không có dị tế bào (heterocytes) Hầu hết không di động Tỷ lệ G+C là 31-71% Các chi tiêu biểu là:

Hình 9.5: Một số đại diện vi khuẩn lam thuộc bộ Chroococcales

b-Nhóm II (có tác giả gọi là bộ Pleurocapsales):

Hình que hoặc hình cầu đơn bào có thể tạo dạng kết khối

(aggregate); phân cắt nhiều lần tạo ra các baeocytes; không có dị tế bào.Chỉ có các baeocytes là có di động Tỷ lệ G+C là 40-46% Các chi

tiêu biểu là:

• -Pleurocapsa

• -Dermocapsa

• -Chroococcidiopsis

Pleurocapsa Dermocapsa Chroococcidiopsis

Hình 9.6: Một số đại diện vi khuẩn lam thuộc bộ Pleurocapsales

c-Nhóm III (có tác giả gọi là bộ Oscillatorriales):

Dạng sợi (filamentous) ; dạng lông (trichome) không phân nhánh chỉ

có ở các tế bào dinh dưỡng; phân đôi trên mặt phẳng, có kiểu đứt đoạn (fragmentation); không có dị tế bào; thường di động Tỷ lệ G+C là 34-67% Các chi tiêu biểu là:

d-Nhóm IV (có tác giả gọi là bộ Nostocales)

Dạng sợi ; dạng lông (trichome) không phân nhánh có thể chứa các

tế bào biệt hoá (specialized cell) ; phân đôi trên mặt phẳng, có kiểu đứt

đoạn tạo thành đoạn sinh sản (hormogonia) ; có tế bào dị hình ; thường di động có thể sản sinh bào tử màng dày (akinetes) Tỷ lệ G+C là 38-47%

Các chi tiêu biểu là :

Nostoc Scytonema

Hình 9.8: Một số đại diện vi khuẩn lam thuộc bộ Nostocales

e-Nhóm V (có tác giả gọi là bộ Stigonematales) :

Lông (trichome) dạng sợi, phân nhánh hoặc do các tế bào nhiều hơn một chuỗi tạo thành ; phân đôi theo nhiều mặt phẳng, hình thành đoạn sinh

sản (hormogonia) ; có tế bào dị hình ; có thể sản sinh bào tử màng dày ( alkinetes), có hình thái phức tạp và biệt hóa (differentiation) Tỷ lệ G+C là

42-44% Các chi tiêu biểu là :

-Fischerella

-Stigonema

-Geitlerinema

Stigonema Fischerella Geitlerinema

Hình 9.9: Một số đại diện vi khuẩn lam thuộc bộ Stigonematales

2.Trao đổi chất ở các vi sinh vật quang dưỡng

Tất cả các vi khuẩn quang hợp đều chứa sắc tố quang hợp Sắc tố quang hợp ở vi khuẩn được gọi là bacteriochlorophyll Chlorophyll và bacteriochlorophyll còn được gọi là chất diệp lục và chất khuẩn lục Chất diệp lục, chất khuẩn lục và huyết sắc tố có cấu trúc tương tự như nhau Đó

là một vòng pocphiril do 4 nhân pirol liên kết với nhau Lõi của chất diệp lục và chất khuẩn lục là Mg, còn lõi của huyết sắc tố là Fe, chất diệp lục a

khác với chất khuẩn lục a,b,c,d,e ở 7 gốc R (từ R1 đến R7) có thể thấy rõ

sự khác nhau này trong bảng sau đây:

Bảng 9.1: Sự sai khác giữa chất diệp lục a và các loại chất khuẩn lục

Chú thích: a→ giữa C3 và C4 không có nối đôi, không thêm H

b→ giữa C3 và C4 không có nối đôi, có thêm H

Có thể thấy rõ hơn sự phân biệt của hai loại chlorophyll, bacteriochlorophyll và hem bằng cách quan sát hình sau đây:

H 9.10: Cấu trúc hóa học của một số sắc tố quang hợp

Ngoài các loại chlorophyll vi khuẩn tự dưỡng quang năng còn có chứa một số các sắc tố thuộc loại carotenoit Carotenoit ở vi khuẩn không giống với carotenoit ở tảo hoặc thực vật Dưới đây là vài ví dụ:

H 9.11: Cấu trúc hóa học các loại carotenoit

Ở vi khuẩn tự dưỡng quang năng có hai loại phosphoryl hóa quang hợp: phosphoryl hóa quang hợp tuần hoàn và phosphoryl hóa quang hợp không tuần hoàn

Chú thích

Bchl*: trạng thái kích phát của

bacteriochlorophyll

Ru-5-P: Ribulose-5-phosphate

H2A: Chất vô cơ cho hydrogen

H.9.12:Phosphoryl hóa quang hợp kiểu tuần hoàn

Trong điều kiện kỵ khí một số vi khuẩn quang hợp có thể sử dụng năng lượng của ánh sáng để thực hiện phản ứng phosphoryl hóa sản sinh

ra ATP Electron từ bacteriochlorophyll được tách ra dưới tác dộng của ánh sáng, sau đó tham gia vào chuỗi hô hấp tuần hoàn và quay trở lại Bchl Trên đường đi đã sản sinh ra ATP Việc sinh ra ATP được thực hiện riêng rẽ với việc sinh ra [H] có năng lực khử [H] có năng lực khử được sinh ra từ các chất vô cơ cho hydrogen (như H2S ).Quá trình quang hợp này không sản sinh ra oxi

H.9.12: Phosphoryl hóa quang hợp kiểu không tuần hoàn

Chú thích: Chlb* và Chla* là ở trạng thái kích phát

Đây là kiểu phản ứng phosphoryl hóa quang hợp gặp ở vi khuẩn lam và cũng tương tự như ở tảo và cây xanh Ở đây chuỗi vận chuyển electron là không tuần hoàn vì vậy còn gọi là dòng chảy electron không tuần hoàn

Quang hợp xảy ra trong điều kiện có oxi và có 2 hệ thống quang

Hệ thống quang I có chứa Chl a (chất diệp lục a) và có thể sử dụng được tia đỏ có bước sóng dài

Hệ thống quang II có chứa Chl.b và có thể sử dụng được tia sáng lam (bước sóng ngắn) Quá trình quang hợp này có sản sinh oxi và xảy ra đồng thời việc sinh ATP(ở hệ thống quang hợp II) và việc sinh [H] có năng lực khử (trong NAD PH2) là H+ và e-, được sinh ra sau sự quang giải nước

Sau quang giải nước sản sinh ra ½ O2 +2H+ + 2e, electron sẽ liên tiếp đi qua chuỗi electron (I và II), sau cùng đem electron đến cho NADP+

để sản sinh ra 2 phản ứng phophoryl hóa để sinh ATP Ở hệ thống I có sinh NADPH2 và ATP, còn ở hệ thống II có sinh oxi và ATP

Một số vi khuẩn ưa mặn tự dưỡng quang năng có quá trình quang hợp khá dặc biệt Đại diện cho nhóm này là các vi khuẩn hay gặp trên các hải sản ướp muối (như vi khuẩn Halobacterium halobium, H.eutirubrum )

Màng chất té bào của chúng phân thành 2 phần: phần màu đỏ và phần màu tía Phần màu đỏ có chứa cytocrom, flavoprotein của chuỗi hô hấp dùng để oxi hóa phosphoryl hóa Phần màu tía rất kì lạ Trên màng hiện lên các vết khoang (đường kính khoảng 0,5μm), phân bố độc lập với

nhau, chiếm tới một nửa tổng diện tích của màng tế bào vi khuẩn Màng này có khả năng thực hiện một quá trình quang hợp độc đáo Có một loại protein gọi là bacteriorodopsin, rất giống với rodopsin, loại protein có trong tế bào hình trụ ở trên võng mạc của mắt Bacteriorodopsin chiếm tới 75% màng màu tía

Những vi khuẩn này có thể sinh trưởng được trong tối hoặc ngoài sáng nếu có mặt oxi, khi không có mặt oxi chúng chỉ sinh trưởng được ngoài sáng Chúng có 2 con đường thu nhận năng lượng: một đường oxi hóa phosphoryl hóa khi có oxi và một đường oxi hóa phosphoryl hóa khi được chiếu sáng (quang hợp) Tốc độ tạo ra ATP là cao nhất khi được chiếu sáng bằng bước sóng 550-600nm

H.9.13: Sơ đồ minh họa 2 hệ thống quang

* Giai đoạn quang hoá: quang hoá là giai đoạn chuyển hoá năng lượng của các điện tử trong 2 tâm quang hợp đã được làm giàu bởi năng lượng ánh sáng thành năng lượng chứa đựng trong các hợp chất giàu năng lượng là ATP và NADPH2

Giai đoạn quang hoá xảy ra tại 2 tâm quang hợp bởi 2 phản ứng

ADP + H3PO4 → ATP + H2O

Có 3 hình thức Phosphoryl hoá xảy ra:

+ Phosphoryl hoá vòng

+ Phosphoryl hoá không vòng

+ Phosphoryl hoá hoá vòng giả

Kết quả chung của pha sáng là:

12H2O +18ADP +18H3PO4+12NADP+ →18ATP + 12NADPH+H+ + 6O2

+ 18H2O Pha sáng đã tạo ra ATP và NADPH+H+ cung cấp cho pha tối quang hợp

3.2 Pha tối quang hợp

Sau khi pha sáng tạo ATP và NADPH+H+, giai đoạn tiếp theo của quang hợp là sử dụng ATP và NADPH+H+ để khử CO2 tạo sản phẩm sơ cấp của quang hợp là C6H12O6 Quá trình này không cần ánh sáng nên gọi

là pha tối Pha tối diễn ra nhiều con đường khác nhau, mỗi con đường đặc trưng cho một nhóm thực vật Có 3 con đường đồng hoá CO2 trong quang hợp: chu trình Calvin, chu trình Hatch-Slack và chu trình CAM

* Chu trình Calvin (chu trình C3)

- Đây là con đường đồng hoá CO2 phổ biến nhất do Calvin tìm ra Chu trình xảy ra qua 3 giai đoạn chính:

+ Tiếp nhận CO2 : Ribulozo 1,5dP tiếp nhận CO2 sau đó biến đổi thành 2 phân tử APG APG là sản phẩm đầu tiên nên chu trình còn được gọi là chu trình C3

+ APG bị khử thành AlPG nhờ ATP và NADPH+H+ của pha sáng + AlPG sẽ tái tạo lại Ribulozo 1,5dP đồng thời tạo nên sản phẩm của chu trình là C6H12O6

Tóm tắt chu trình Calvin:

C5 + CO2 + ATP + NADPH -> C6H12O6

H 9.14: Chu trình Calvin

www.starsandseas.com/ /cellcalvin.htm

II.Cố đinh nitrogen phân tử

Trong không khí có rất nhiều N phân tử, nhưng tuyệt đại đa số sinh vật không sử dụng được nguồn N này Chỉ có một số VSV là có thể hấp thụ được N Qua hoạt động sống của chúng N sẽ được chuyển thành N hợp chất (protein và các sản phẩm thủy phân protein) Hoạt động này được gọi là sự cố định N phân tử

Quá trình cố định N có tác dụng rất lớn đến đời sống các sinh vật trên trái đất Trên cơ bản trong nham thạch không chứa hợp chất N Cho nên nguồn N trong đất hầu như hoàn toàn do tác dụng cố định N của VSV

mà hình thành Hàng năm cây trồng lại lấy đi một lượng N đáng kể Hợp chất N được hình thành trong quá trình cố định này lại chính là nguồn N chủ yếu bổ sung cho đất

Các loại VSV cố định N không nhiều lắm, có thể chia làm hai loại lớn như sau:

1.Vi sinh vật cố định N sống tự do (không cộng sinh): bao gồm một số vi

khuẩn, xạ khuẩn Trong số này quan trọng nhất là các loài thuộc chi

Azotobacter và loài Clostridium Pasteurianum

1 Azotobacter

1.1.Sơ lược về Azotobacter

Azotobacter là vi khuẩn cố định N sống tự do trong đất, hiếu khí, không có bào tử Chúng đã được phân lập và nuôi cấy thuần khiết từ năm

thức ăn C Chúng cũng cần nhiều nguyên tố khoáng, đặc biệt là 2 nguyên

tố vi lượng bor (B) và molipbden (Mo)(Mo cần cho tác dụng cố định N) Khi sống trong điều kiện không có N hợp chất Azotobacter sẽ dùng

N của không khí để biến thành hợp chất N của cơ thể sống Khi sống trong môi trường đủ thức ăn N hữu cơ hoặc vô cơ thì tác dụng cố định N sẽ rất

thấp hoặc không có Azotobacter thích hợp với điều kiện hiếu khí vừa phải

và pH trung tính hoặc hơi kiềm Trong điều kiện thích hợp cứ mỗi khi tiêu

thụ 1gam hydratcarbon Azotobacter có thể cố định được 10- 15mg N

Vì Azotobacter có khả năng cố định N mạnh mẽ như vậy nên từ cuối

thế kỷ 18 đã có nhiều nước nghiên cứu sử dụng chúng làm phân vi khuẩn (gọi là phân Azotobacterin) Việc sử dụng Azotobacterin cũng đang phát triển mạnh ở nhiều nước và thu được kết quả Tuy nhiên sử dụng Azotobacterin không phải là vấn đề tiếp giống đơn giản, mà còn phải tạo điều kiện để chúng phát triển mạnh cố định được nhiều N, nghĩa là sử dụng kỹ thuật liên hoàn

Để chế tạo Azotobacterin trước hết ta nuôi thật nhiều Azotobacter

trên môi trường đặc hoặc lỏng có bơm không khí Sau đó đem trộn chúng với than bùn hoặc các chất nuôi dưỡng khác để chế thành bột Azotobacterin

1.2 Một số đặc điểm sinh học của vi khuẩn Azotobacter

a Hình thái khuẩn lạc

Khi nuôi trong môi trường thạch,vi khuẩn Azotobacter có khuẩn

lạc nhầy, lồi hoặc tan, lúc đầu không màu, sau biền thành màu nâu tối, thậm chí đến màu đen nhưng không làm nhuộm màu môi trường khuẩn

lạc Ngoài ra một số loài Azotobacter có dạng nhăn nheo, khuẩn lạc có

màu vàng lục, màu hồng

Vỏ nhầy của vi khuẩn Azotobacter chứa khoảng 75% là chất hiđrit

của acid uronic và chứa khoảng 0.023% N