Các loại vi khuẩn hoá năng vô cơ (chemolithotrophic) thường là loại tự dưỡng, đều sử dụng chu trình Calvin để cố định CO2 như nguồn carbon duy nhất. Ở vi khuẩn nitrate hoá, được xếp vào loại hoá tự dưỡng (chemoautotrophic) sẽ sử dụng năng lượng thu được từ quá trình oxi hoá ammonia hay nitrite để phục vụ cho việc khử CO2 thành carbohydrate. Khi một phân tử CO2 đi vào chu trình Calvin, nó cần đến 3 phân tử ATP và 2 phân tử NADPH. Điều khó khăn là năng lượng thu từ quá trình oxi hoá các phân tử vô cơ (nói chung) của vi khuẩn nitrate hoá lại nhỏ hơn rất nhiều so với việc oxi hoá hoàn toàn glucose ở loại vi khuẩn thông thường. Tỉ lệ P/O trong quá trình oxi hoá phosphoryl hoá ở vi khuẩn nitrate hoá thường bằng 1, chính vì tỉ lệ quá thấp như vậy, nên vi khuẩn nitrate hoá nói riêng và các loại vi khuẩn hoá năng vô cơ khác nói chung, cần oxi hoá một lượng lớn các hợp chất vô cơ để sinh trưởng và sinh sản, điều này nói lên tác động của hệ vi khuẩn này đối với môi trường rất sâu sắc.
Bảng 5. Năng lượng thu được từ quá trình oxi hoá các hợp chất vô cơ so với từ glucose (-686 kcal/mol). Phản ứng ΔGo’ (kcal/mol) H2 + 1/2 O2 H2O -56,6 NO2- + 1/2 O2 NO3- -17,4 NH4+ + 1½ O2 NO2- + H2O + 2H+ -65,0 S0 + 1½ O2 + H2O H2SO4 -118,5 S2O32- + 2O2 + H2O 2SO42- + 2H+ -223,7 2Fe2+ + 2H+ + 1/2 O2 2Fe3+ + H2O -11,2 [28]. Ở vi khuẩn nitrate hoá, năng lượng giải phóng từ quá trình oxi hoá ammonia lẫn nitrite được sử dụng để tổng hợp nên ATP (hoạt hoá các enzyme, cơ chất, là hợp chất dự trữ năng lượng) và NAD(P)H (nguồn cung cấp electron trong chuỗi vận chuyển điện tử, cung cấp H+
25
khử). Chính 2 hợp chất quan trọng này, mà vi khuẩn nitrate hoá sử dụng để khử CO2 và các hợp chất khác phục vụ cho quá trình biến dưỡng của tế bào.
Quá trình tổng hợp ATP ở vi khuẩn nitrate hoá về nguyên tắc rất giống với hoạt động tổng hợp ATP của ti thể ở các vi sinh vật có nhân thật. Con đường chính để tạo ATP là thông qua các hoạt động oxi hoá ammonia và phân ly nước (ở vi khuẩn oxi hoá ammonia) và oxi hoá nitrite (ở vi khuẩn nitrate hoá), H+ được tạo ra và đẩy vào perip- lasm (là khoảng không gian giữa màng trong và màng ngoài của tế bào vi khuẩn), từ đó tạo nên gradient H+ làm cho H+ chạy qua phức ATPase vào trong cytoplasm (nguyên sinh chất) giúp tái tạo ADP thành ATP. Con đường phụ (diễn ra ở Nitrobacter
sp., trong khi ở Nitrosomonas sp. thì không hiện diện) để tạo ATP là thông qua hoạt động của chất khử NADH và hoạt động của phức vận chuyển điện tử trên màng, giúp tổng hợp ATP.
Quá trình tổng hợp NADH thì khó khăn hơn nhiều và hiện chưa được lý giải rõ hoàn toàn, vì nó liên quan đến quá trình vận chuyển electron theo chiều ngược lại (reverse electron transport-RET). Lý do chính vì những phân tử như ammonia, nitrite thì có thế khử cao (E’0 NO3-/NO2- = 0,421V) hơn so với NAD+ (E’0 NAD+/NADH = -0,32) nên vi khuẩn nitrate hoá không thể cung cấp electron trực tiếp từ quá trình oxi hoá ammonia và nitrite để tổng hợp nên NAD(P)H qua hệ enzyme NADH-
oxidoreductase. Bởi vì electron chỉ có thể di chuyển từ chất cho (donor) có thế khử thấp hơn đến chất nhận (acceptor) có thế khử cao hơn. Để giải quyết khó khăn này, chúng đã sử dụng lực đẩy proton (proton motive force-PMF) để đảo lại chiều di chuyển electron, qua các chất vận chuyển điện tử, nhằm khử NAD+ về NADH. Ngoài ra PMF còn dùng cho sự chuyển động của tiên mao, các hoạt động trao đổi chất trong tế bào.
Có thể thấy nếu so sánh với quá trình tạo nên NADH và ATP qua con đường đường phân hay chu trình Krebs ở các vi sinh vật khác, thì quá trình tạo NADH và ATP ở vi khuẩn nitrate hoá tiêu tốn nhiều năng lượng hơn và lượng sản phẩm tạo ra ít hơn. Nhưng vì nguồn cơ chất ammonia, nitrite mà vi khuẩn nitrate hoá sử dụng lại không bị cạnh tranh như các nguồn cơ chất khác (glucose, lipid, protein), nên vi khuẩn nitrate hoá vẫn thích nghi được với con đường biến dưỡng bằng các hợp chất này.
26
Hình 2-13. Hướng di chuyển electron dựa trên thế khử của các chất trong tế bào. Những chất khử luôn là chất cho điện tử, và các chất oxi hoá luôn là chất nhận điện tử [28].
Quá trình nitrate hoá là quá trình chuyển hoá ammonium (NH4+) thành nitrate (NO3-) bởi tác động của vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí. Quá trình này được thực hiện bởi hai nhóm vi khuẩn tuần tự nối tiếp nhau, gồm 2 bước: giai đoạn nitrite hoá (nitrition) chuyển NH4+ thành nitrite (NO2-) và giai đoạn nitrate hoá (nitration) từ nitrite thành nitrate (NO3-).
Để tránh nhầm lẫn giữa quá trình nitrate hoá nói chung (chuyển từ NH3 ra đến
NO3-), chúng tôi dùng thuật ngữ oxi hoá ammonia thay cho quá trình nitrite hoá, và
oxi hoá nitrite thay cho quá trình nitrate hoá. Khi nói đến hệ vi khuẩn nitrate hoá là chúng tôi đề cập đến cả 2 hệ vi khuẩn oxi hoá ammonia và oxi hoá nitrite.
o Chuyển NH4+ thành NO2-
Nhóm vi khuẩn chuyển ammonium thành nitrite là Nitrosomonas sp. oxi hoá NH4+ thành NO2- qua sản phẩm trung gian là hydroxylamine (NH2OH)
2NH4+ + O2 2NH2OH + 2H+
NH2OH + O2 NO2- + 2H+ + H2O + 275 kJ
27
Nhóm vi khuẩn chuyển nitrite thành nitrate là Nitrobacter sp. theo phản ứng sau: NO2- + 0,5O2 NO3- + 73 kJ
Hình 2-14. Hai giai đoạn của quá trình nitrate hoá [4].