Bài giảng Vi sinh đại cương - Chương 4: Sự chuyển hóa các chất trong thiên nhiên nhờ vi sinh vật

CHƯƠNG 4 SỰ CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT TRONG THIÊN NHIÊN NHỜ VI SINH VẬT 4.1. Sự phân bố vi sinh vật trong tự nhiên 4.1.1. Vi sinh vật trong không khí Môi trường không khí khác nhau tùy từng vùng : Các loại khí : O 2 , N 2 , CO 2 , SO 2 , H 2 S, Vd : Vùng núi cao → O 2 cao , thành phố và KCN → H 2 S, SO 2 , CO 2 Các đk môi trường : T 0 , độ ẩm , ánh sáng Không khí không phải là môi trường sống của vsv . Sự phân bố của vsv khác nhau tùy từng vùng Nguồn gốc vi sinh vật trong không khí VSV từ đất , nước , hoạt động của con người , động vật , thực vật được phát tán khắp mọi nơi nhờ gió , bụi . VSV có bào tử có khả năng tồn tại lâu trong kk (vi sinh vật gây bệnh : vk gây bệnh đường hô hấp , vk gây bệnh rỉ sắt ở thực vật ) Phân bố vsv trong kk phụ thuộc 3 yếu tố : Khí hậu trong năm , vùng địa lý và hoạt động sống của con người . Theo kết quả nghiên cứu của Omelansku lượng vi sinh vật trong các mùa thay đổi như sau ( số lượng trung bình trong 10 năm ). Nấm mốc Vi khuẩn Mùa đông 4305 1345 Mùa Xuân 8080 2275 Mùa Hè 9845 2500 Mùa Thu 5665 2185 Lượng vi sinh vật trong 1 lít không khí Độ cao (m) Lượng tế bào 500 2,3 1000 1,5 2000 0,5 5000-7000 Rất ít Lượng vi sinh vật/1m 3 không khí Nơi chăn nuôi 10 6 – 2x10 6 Khu cư xá 2 x 10 4 Đường phố 5 x10 3 Công viên trong thành phố 2 x 10 2 Ngoài biển 1-2 4.1.2. Vi sinh vật trong nước Môi trường nước : ao , hồ , sông , biển , nước ngầm . VSV có mặt khắp nơi trong các nguồn nước , số lượng và thành phần vsv khác nhau tùy thuộc môi trường . Các yếu tố môi trường ảnh hưởng : Hàm lượng muối , chất hữu cơ , pH, nhiệt độ và ánh sáng Nguồn nhiễm vsv : đất , chất thải của người và động vật Vi sinh vật trong các môi trường nước khác nhau Nước ngọt : nhiễm khuẩn từ đất , có mặt hầu hết các vsv trong đất Nước ngầm , suối : nghèo vsv ( nghèo chất dd ) vi khuẩn sắt Leptothrix orchracea , vk lưu huỳnh lục và tía ( suối chứa S, vk Leptothix thermalis ( suối nước nóng ) Ao , hồ , sông : VSV tự dưỡng cao và vsv dị dưỡng phân hủy chất hữu cơ ( chất thải sinh hoạt , CN) Hồ nước mặn , biển : Halobacterium , vsv ưa lạnh 4.1.3. Vi sinh vật trong đất Đất là môi trường thích hợp nhất đối với vsv ( giàu chất hữu cơ , vô cơ và khoáng chất ) Sự phân bố vsv ở các tầng đất khác nhau phụ thuộc vào chất dd , mức độ thoáng khí , độ ẩm và nhiệt độ . VSV đất : vk,vi nấm , xạ khuẩn , virus, tảo , NSĐV VSV trong đất phân bố theo : chiều sâu , loại đất , cây trồng . Sự phân bố vsv ( số tb/1g đất ) theo chiều sâu theo tầng đất (cm) 9-20 cm 70,3 x 10 6 20-40 cm 48,6 x 10 6 40-80 cm 45,8 x10 6 80- 120cm 40,7 x 10 6 4.2. Sự chuyển hóa các hơp chất chứa nito Vai trò của Nito trong sinh quyển - Nito là chất dd khoáng quan trọng nhất , được yêu cầu với số lượng lớn cho các thành phần thiết yêu của các protein, acid nucleic và các thành phần khác của tế bào . Trong khí quyển của trái đất , Nito chiếm ~ 79% ở dạng khí N 2 . Hầu hết các sinh vật ko thể sử dụng N 2 (N Ξ N) Nitrogen phải được “ cố định ” thành các ion ammonium (NH 4 ) hoặc nitrate (NO 3 ). Chu trình Nito - Vi sinh vật đóng vai trò trung tâm trong hầu hết các phương cách có thể để cung cấp nitrogen cho sự sống trên trái đất : Một số vk có khả năng biến đổi N 2 → NH 3 ( cố định nito ); các vk này sống tự do hoặc sống cộng sinh với thực vật hoặc các sinh vật khác ( động vật nguyên sinh , nhuyễn thể ). Một số vk khác : NH 3 → NO 3 - , và NO 3 - → N 2 hoặc khí nitrogen khác . Nhiều vk và nấm phân hủy các chất hữu cơ,giải phóng nitrogen đã được cố định để tái sử dụng bởi các sinh vật khác - Tất cả các quá trình này đã tạo nên chu trình N 2 Các giai đoạn của chu trình nito Cố định nito Đồng hóa nito ( amon hóa ) Khử amin Nitrat hóa Phản nitrat hóa 4.2.1 CỐ ĐỊNH N 2 VSV → N 2 → NH 3 ( dạng muối NH 4 + ): sinh vật bậc cao sử dụng Vi sinh vật cố định Nito gồm : Azotobacter , Clostridium , Azospirillum ( sống tự do) và Rhizobium , Bradyrhizobium ( sống cộng sinh với cây bộ đậu ). CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH CỐ ĐỊNH NITO N 2 + 8H+ + 8e - + 16 ATP = 2NH 3 + H 2 + 16ADP + 16 Pi Các vi sinh vật cố định nito Sống tự do Cộng sinh với TV Hiếu khí Kị khí Cây bộ đậu Các thực vật khác 4.2.2 ĐỒNG HÓA NITO NH 3 được kết hợp với các phân tử hữu cơ : các acid amin (R-NH 2 ), hình thành nên các protein và mô cơ thể . 4.2.3 KHỬ AMIN Các phân tử hữu cơ chứa nito được khử amin trong quá trình phân hủy vật chất hữu cơ . Quá trình này được thực hiện bởi nhiều vi khuẩn dị dưỡng . . Quá trình thối rữa - Thối rữa là qt phân hũy các chất protein dưới tác dụng của vi sinh vật . Các vsv gây thối là nguyên nhân làm hỏng thực phẩm giàu protein Rất quan trọng trong vòng tuần hoàn vật chất Protein  Peptone  polypeptit  axit amin  NH3  H2, CO  Axit béo   Phenol, Indol , Scatol , Amin , Mecaptan , H2S, CO2 CO2, H2  Metan Cơ chế của quá trình thối rữa Giai đoạn 1 : Do enzyme protease ngoại bào Cơ chế của quá trình thối rữa Giai đoạn 2 : Khử amin bằng thuỷ phân có kèm theo decacboxyl hoá hoặc không Khử amin do do oxi hoá có kèm theo decacboxyl hoá hoặc không Khử amin do vi khuẩn yếm khí có kèm theo decacboxyl hoá hoặc không Khử amin do mất NH3 trực tiếp ( Khử amin nội phân tử ) Cơ chế của quá trình thối rữa Giai đoạn 3 : Hiếu khí : các chất này được oxi hoá và có thể → vô cơ hoá hoàn toàn . Sản phẩm cuối cùng là: NH3, CO2, H2O, H2S, H3PO4. Yếm khí : các sản phẩm không được oxi hoá hoàn toàn → tích tụ các axit hữu cơ, rượu, amin, trong đó có nhiều chất độc và gây mùi hôi thối. Amôn hóa Urê : Ure bacterium  ( Cocoacal , Bacilaccae , vd : Proteus , Yersina ,.. ) Amôn hóa protein: * Hiếu khí : Bac.mycoides , Bac.mesentericus , Bac.subtilis , Ps. fluorescens * Tùy tiện : Proteus vulgaris , Escherichia coli * Yếm khí : Clostridium putrifiicium , Clostridium sporogenes * Nấm : Penicillium , Aspergillus , Mucor C á c chất v ô cơ CO 2 , H 2 O, H 2 S, NH 3 Acid hữu cơ Acid bay hơi Acid acetic Acid butyric Acid formic Bazơ hữu cơ Cadaverin Histamin Metylamin Dimetylamin Chất hữu cơ kh á c Crezol Phenol Indol Scartol Acid amin Protein Polypeptid Dipeptid và tripeptid Sơ đồ sự phân giải protein bởi vi sinh vật + Giai đọan 1: + Giai đọan 2: 4.2.4 NITRAT HÓA + Khử acid nitric thành acid Nitro + Khử nitrat thành NH 3 + Khử HNO 3 thành N 2 Vi sinh vật : Chromobacterium denitrificans , Pseudomonas denitrificans , Achromobacter stutzeri , Pseudomonas fluorescens 4.2.5 PHẢN NITRAT HÓA Nitrate hóa Phản nitrate hóa 4.3. Sự chuyển hóa các hc hydratecarbon Vai trò của carbon trong tự nhiên Trong tự nhiên : cacbon ( vô cơ và hữu cơ ) Các hợp chất chứa carbon chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác , khép kín vòng tuần hoàn carbon Carbon hữu cơ động vật , thực vật , vsv → lượng CHC khổng lồ trong đất ( sv này chết ). Các vsv dị dưỡng → phân hũy CHC → CO 2 , CO 2 → thực vật và vsv sử dụng trong quang hợp → CHC thực vật → thức ăn của động vật và con người → CHC của động vật và con người . Vi sinh vật trong chu trình carbon Tham gia cố định cacbon (CO 2 ) tạo thành CHC chứa carbon (vi sinh vật tự dưỡng quang năng , vi sinh vật tự dưỡng hóa năng ) Tham gia phân hủy các CHC thành CO 2 (vi sinh vật dị dưỡng carbon): vi sinh vật phân giải cellulose, tinh bột , đường đơn , các chất béo và acid béo Chu trình Carbon Gồm các giai đoạn sau : Quá trình Quang hợp Quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ Phân giải cellulose và pectin Phân giải tinh bột Phân giải đường đơn : lên men và hô hấp Phân giải chất béo và acid béo CHU TRÌNH CACBON Quá trình quang hợp Pha tối quang hợp - Vi sinh vật cố định CO 2 ( Vk lam, tảo ) - VSV phân giải cellulose ( cellullase ) và pectin ( pectinase ) Vi nấm : Tricoderma , Aspergillus , Fusarium , Muco r ..vv Vi khuẩn hiếu khí : Pseudomonas , Cellulomonas , Achromobater , vi khuẩn nhầy Mixococcus Hutchínonii Vi khuẩn kị khí : Clostridium , Ruminococcus Xạ khuẩn : Streptomyces CẤU TRÚC CELLULOSE Xenlobiohydrolaza : Cắt đứt liên kết hydro thành dạng vô định hình Endoglucanaza Cắt đứt liên kết β -1,4 tạo thành những chuỗi dài Exogluconaza Phân giải các chuỗi thành disaccarit ( Xenlobioza ) β - glucosidaza Phân giải xenlobioza thành các đường đơn HỆ ENZYME PHÂN GIẢI CELLULOSE Quá trình phân giải cellulose và pectin có ý nghĩa : - Khoáng hóa xác thực vật → tạo mùn - Giảm chất lượng nguyên liệu thực vật : thủy phân pectin → tơi thịt quả và rau → thối mục ấm ; thủy phân cellulose → phá hỏng thành tế bào → vsv dễ xâm nhập Vi sinh vật phân giải tinh bột Vi nấm: Aspergillus , Fusarius , Rhizopus Vi khuẩn : Bacillus, Cytophaga , Pseudomonas , một số xạ khuẩn CẤU TRÚC TINH BỘT α - amilaza ( endoamilaza ) Cắt đứt liên kết 1,4 glucozit tạo thành các đường mantotrioza ( dịch hóa tinh bột ) Β - amilaza ( exoamilaza ) Cắt đứt liên kết 1,4 – glucozit ở cuối phân tử tạo thành disaccarit mantoza Amilo 1,6 glucosidaza Cắt đứt liên kết 1,6 glucozit tại chổ phân nhánh của amilopectin Glucoamilaza Cắt cả 2 liên kết 1,6 và 1,4 glucozit tạo thành glucose và các oligosaccarite HỆ ENZYME PHÂN GIẢI TINH BỘT Vi sinh vật phân giải chất béo và acid béo Vi nấm: Oidium lactis , Clasdosporium hebarium , nhiều loài thuộc Aspergilus và Penicillium , Fusarius , Rhizopus Vi khuẩn : Micrococcus , Chromobacterium , Prodigioscens , Perseudomonas . Vk Pseudomonas fluorescens ( mạnh mẽ nhất ) Ngoài ra còn có một số xạ khuẩn Chất béo : este của glyceryl và a.béo Vi sinh vật có hệ enzyme lipaze sẽ phân hủy chất béo → glyceryl và a.béo tự do Glyceryl → vsv oxh → CO2 và H2O A.béo → peoxyt của axit béo → axit , aldehyt , xeton và làm cho chất béo có những mùi vị khó chịu ( lipoxygenaza ) → CO2 và H2O Chu trình Sulfur