CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.4. Vai trò của vi sinh vật trong việc phân giải hợp chất hữu cơ
1.4.1. Cellulosese và vi sinh vật phân giải cellulosese
a. Cellulose
Cellulose là thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vật và chiếm 50% tổng lƣợng hydrocacbon trên trái đất. Ngoài thực vật, cellulose cũng là nguồn chủ yếu trong SK động vật, nhƣng số lƣợng ít hơn. Cellulose là polysacarit gồm có anhydro- D- ... liên kết với nhau bằng liên kết -1,4- glucozit. Mức độ polyme hóa của cellulose rất cao tới 10000-14000 đơn vị glucoza/ phân tử. Số lƣợng lớn liên kết hydro nội và gian phân tử làm cho phân tử cellulose có độ cứng và vững chắc [36].
Liên kết glucozit không bền với axit, cellulose dễ bị phân hủy bởi acid và tạo thành sản phẩm phân hủy khơng hồn tồn là hydro- cellulose có độ bền cơ học kém hơn cellulose nguyên thủy, cịn khi thủy phân hồn tồn thì sản phẩm tạo thành là D-glucoza.
Về bản chất hóa học, cellulose là một rƣợu đa chức có phản ứng với kiềm hay kim loại kiềm tạo thành cellulose-ancolat. Nguyên tử hydro ở các ở các nhóm OH bậc một và hai trong phân tử Cellulose cũng có thể bị thay thế bởi các gốc – metyl, -etyl,… tạo ra những chất có độ kết tinh và độ hòa tan trong nƣớc khác nhau.
Cellulose cũng bị oxy hóa bởi một số tác nhân tạo thành sản phẩm oxy hóa một phần là oxy- Cellulose. Tác nhân oxy hóa chọn lọc nhất là acid iodic (HIO4), và muối của nó. Cellulose khơng tan trong nƣớc, dung dịch kiềm làm trƣơng phồng mạch Cellulose và hòa tan một phần Cellulose phân tử nhỏ. Đặc biệt Cellulose dễ hòa tan trong dung dịch đồng amin hydrat (Cu(NH3)4(OH)2), và hàng loạt các dung dịch là các phức chất của đồng, niken, cadmi, kẽm….[37]
b.Vi sinh vật phân giải cellulose
Vi sinh vật có khả năng phân giải cellulose là những vi sinh vật có khả năng tổng hợp đƣợc hệ enzym celluloza. Hệ enzym celluloza gồm bốn enzym khác nhau [32,34].
CelloBiohydrolaza có tác dụng cắt đứt liên kết hydro làm biến dạng celluloza tự nhiên, phân giải vùng kết tinh tạo dạng cấu trúc vơ định hình.
Endoglucanaza có khả năng cắt đứt các liên kết β 1-4 glucozit bên trong phân tử tạo thành những chuỗi dài.
Exo-gluconaza có khả năng phân giải các chuỗi dài trên thành các disacarit gọi là xelloBioza. β-gluconaza sẽ thuỷ phân xelloBioza thành glucoza.
Trong tự nhiên có rất nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng phân huỷ celluloseza nhờ hệ enzym xellulaza ngoại bào [30, 36, 37]:
Nấm mốc (Aspergillus, Fusarium, Mucor, Tricoderma...) có cấu tạo dạng hệ sợi, sinh sản chủ yếu bằng bào tử. Chúng phát triển mạnh ở nhiệt độ 25-300C và pH= 6,5 - 7,0, chúng có khả năng phân giải cellulose mạnh nhất
nhờ có khả năng sinh tổng hợp enzym rất cao.
Nhiều loài vi khuẩn cũng có khả năng phân giải cellulose tuy nhiên cƣờng độ không mạnh bằng vi nấm. Nguyên nhân là do lƣợng enzym tiết ra mơi trƣờng ít hơn, thành phần lại khơng đầy đủ. Ở trong đất có rất ít lồi vi khuẩn có khả năng tiết ra đủ bốn loại enzym trong hệ enzym xelluloza mà thƣờng mỗi nhóm vi sinh vật chỉ sản sinh ra một loại enzym tƣơng ứng. Do vậy các nhóm vi sinh vật phải phối hợp với nhau để phân giải cơ chất trong mối quan hệ tƣơng hỗ, thông thƣờng bao gồm các vi sinh vật sau: Pseudomonas, Xellulomonas, Achromonobacter, Clostridium, Ruminococus
Xạ khuẩn cũng góp phần tích cực trong chuyển hoá cellulose. Các chủng xạ khuẩn đƣợc ứng dụng phổ biến hiện nay thuộc chi Streptomycin. Các chủng xạ khuẩn này thuộc nhóm ƣa nóng sinh trƣởng phát triển tốt ở nhiệt độ 45-500C rất thích hợp cho các q trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ. Ngoài ra, một số nấm men cũng có khả năng sinh enzym phân huỷ celluloza nhƣ: Candida, Saccharomyces…
1.4.2. Hemicellulosese và vi sinh vật phân giải hemicellulosese
a. Hemicellulose
Hemicellulose là một phần polysacarit thƣờng gặp trong vách tế bào thực vật với hàm lƣợng lớn sau cellulose. Cellulose và hemicellulose đƣợc hình thành khơng chỉ từ một đƣờng mà nhiều đƣờng khác nhau, thậm chí cả từ axit urnoic của chúng. Ngƣời ta gọi tên cụ thể một loại hemicellulose là dựa theo tên loại đƣờng chủ yếu tạo nên nó. Ví dụ: xylan là một hemicellulose mà thành phần chủ yếu của nó là xyloza, manan – manoza,... Trong gỗ cây lá kim, chủ yếu hemicellulose đƣợc tạo thành từ loại đƣờng 6 Cacbon.
Khác với cellulose, phân tử hemicellulose nhỏ hơn nhiều thông thƣờng không quá 150 gốc đƣờng, đƣợc nối với nhau không chỉ bằng liên kết -1,4 mà còn bằng liên kết -1,3 và -1,6 glucozit tạo ra mạch ngắn và phân nhánh.
Hình 7. Cấu trúc phân tử Hemicellulose
Vì độ polyme thấp, phân nhánh và hỗn hợp nhiều đƣờng nên hemicellulose khơng có cấu trúc chặt chẽ nhƣ ở cellulose và độ bền hóa lý cũng thấp hơn. Hemicellulose dễ tan trong dung dịch kiềm, trong nƣớc nóng và dễ bị phân hủy bởi acid loãng.
Xylan là một hemicellulose phổ biến nhất trong tự nhiên chiếm 30% khối lƣợng rơm rạ, 20-25% trong gỗ cây lá rộng, 7-17% trong gỗ cây lá kim.
b. Vi sinh vật phân giải hemicellulose
Khi nghiên cứu hemicellulose, ngƣời ta thấy chúng giống với cellulose về cấu tạo, liên kết hoá học và cấu trúc đại phân tử. Nhiều tác giả cho rằng, hemixenlulose có tính chất tƣơng đồng với cellulose về cơ chế tác động, tính chất cảm ứng tổng hợp. Tuy nhiên, giữa hemixenlulose và cellulose cũng có nhiền sự khác biệt. Hemicellulose có khối lƣợng phân tử nhỏ hơn, cấu trúc đơn giản và kém bền vững hơn [27,31].
Đa số vi sinh vật có khả năng tổng hợp celluloza cũng có khả năng tổng hợp xynalaza để phân huỷ xylan. Khả năng này thƣờng thấy ở vi sinh vật sống trong dạ cỏ động vật nhai lại nhƣ: Bacillus, Bacteriodes, Butyvibrio, Ruminococus và các vi khuẩn chi Clostridium.
Ngoài ra, một số loài nấm sợi nhƣ Mycotheciumverrucria, Chactomium, Stachybtrys… một số loài nấm xốp trắng cũng có khả năng phân giải hemicellulose nhƣ: Corrodusversicolor, Polyrus anceps,
Phanerochaete, aspergillus fumigatus… và nhóm xạ khuẩn gồm Streptomyces, Pseudomonas, Bacillus… [31,36].