CHƯƠNG 5 CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG CỦA VI SINH VẬT

2.2 Hô hấp hiếu khí Respiration aerobic1.Định nghĩa: Hô hấp hiếu khí là quá trình oxyd hóa- khử cơ chất hưũ cơ hay vô cơ để lấy năng lượng trong điều kiện có oxy không khí, trong đó

CHUYỂN HOÁ NĂNG LƯỢNG

CỦA VI SINH VẬT

Chương 5

I Khái niệm chung

Mọi sinh vật đều cần năng lượng để duy trì hoạt động sống Năng lượng trong

tế bào được tích lủy ở những hợp chất cao năng như: ATP, ADP, AMP…

HH kị khí

HH hiếu khí

Toả nhiệt- Phát quang

Quang phosphoryl hóa vòng

Các quá trình chuyển hoá năng lượng

– Bản chất quá trình oxid hoá- khử là sự vận

– Quá trình này giải phóng năng lượng ở dạng ATP

• Dựa vào quan hệ với Oxy của vi sinh vật, người ta chia chúng thành các nhóm sau:

• * Vi sinh vật hô hấp

• -hiếu khí : tuỳ ý và bắt buộc

• -kị khí: tuỳ ý và bắt buộc

* VSV lên men (kị khí)

II QUÁ TRÌNH TẠO NĂNG LƯỢNG TỪ CHẤT

HỮU CƠ CỦA VI SINH VẬT

•1 Các con đư ờng phân giải hydratcarbon vi sinh vật ở

có 3 con đường phân giải các hexose (6C)

* Con đường Embden-Meyerhof (EMP) - Glycolyse

•* Chu trình Hexomonophosphat (HMN) - Pentos P (PP)

•* Con đường Entner-Doudoroff (ED)

• Glucose 2 acid puryvic

•

• Quá trình phân giải glucose thành acid purivic được thhực hiện trong tế bào chất ( không có oxi)

Glucose 2 acid puryvic

MT Có oxi

MT Không có oxi

HÔ HẤP LÊN MEN

Thực hiện trong ty thể.hay trên màng tế bào chất ở vi

khuẩn

Thực hiện

trong tế bào

chất

2.2 Hô hấp hiếu khí ( Respiration aerobic)

1.Định nghĩa:

Hô hấp hiếu khí là quá trình oxyd hóa- khử

cơ chất hưũ cơ hay vô cơ để lấy năng lượng

trong điều kiện có oxy không khí, trong đó oxy không khí đóng vai trò là chất nhận điện tử

Cô cheá hoâ haáp hieáu khí

Hơ Hấp Kị Khí

Chất Hữu

Sp lên men Lên Men

CHU I V N CHUY N HYDRO HAY I N T TRONG PH N NG OXID HÓA - KHỬ Ỗ Ậ Ễ Đ Ệ Ử Ả Ứ

HOÂ HAÁP HIEÁU KHÍ

HOÂ HAÁP KI KHÍ

NO 3 so 4 co 2

N 2 H 2 S CH 4

Lên men lactic

Lên men rượu

* Hiệu suất ATP trong quá trình hô hấp hiếu khí

• Lượng ATP sinh ra từ sự oxyd hóa môt phân tử glucose trong quá trình

• hô hấp hiếu khí có thể được tính như sau:

• -Từ con đường glycolyse (chu trình EMP):

• Phosphoryl hóa ở mức cơ chất (ATP) 2ATP

• Phosphoryl oxydhóa với 2NADH 6ATP

• -Từ sự chyển 2 pyruvat thành 2 acetyl-CoA

• Phosphoryl oxyd hóa với 2 NADH 6ATP

• -Từ chu trình acid tricarbocylic:

• Phosphoryl hóa ơ mức cơ chất (ATP) 2 ATP

• Phosphoryl oxyd hóa với 6NADH 18 ATP

• Phosphoryl oxyd hóa với 2 FADH2 4 ATP

• _ _

• HIỆU SUẤT CUỐI CÙNG 38 ATP

Hiện tượng phát sáng ở vi sinh vật

• Quá trình hô hấp hiếu khí ở vi sinh vật có liên quan đến hiện tượng phát sáng của

chúng Hiện tượng phát sáng ở các vi sinh vật sống ở biển , sống trên thịt cá đã được chú ý.

• Vi sinh vật có khả năng phát bao gồm trực khuẩn G- , các cầu khuẩn và phẩy khuẩn

Cơ chế

• Hiện tượng phát sáng có liên quan đến các men FMN, NAD dạng khử,

men luciferase, oxy phân tử và một hợp chất dạng oxyt hóa là luciferin

• Người ta cho rằng men NAD và FMN dạng khử sẽ phản ứng với

luciferase, Oxy phân tử, luciferin Kết quả là e- trong một số phân tử sẽ được chuyển vào trạng thái kích thích, và khi chúng chuyển trở lại mức bình

thường sẽ gây hiện tượng phát sáng.

• Trong quá trình nầy, thay vì H+ được chuyển đến oxy để tạo thành nước

như trong hô hấp hiếu khí, thì H+ và e- được chuyển đến luciferin để biến thành luciferin dạng khử Chất nầy bị oxyd hóa sẽ trở về trạng thái ban đầu đồng thời phát ra ánh sáng Đây là một sự lảng phí năng lượng đối với tế

• Hiện tượng phát sáng chỉ xảy ra khi môi trường có hiện diện của oxy

không khí Càng có nhiều oxy, cường độ phát sáng càng lớn Có những vi

sinh vật có thể mẩn cảm được cả với những lượng oxy rất nhỏ nguời ta có thể sử dụng các vi sinh vật nầy như những vi sinh vật chỉ thị đối với sự tồn tại của oxy.

O 2

•Đây là trường hợp sự oxyd hóa các cơ chất xảy ra

không hoàn tòan, sản phẩm cuối cùng tiết ra môi trường ngoài không phải chỉ có CO 2 và nước , mà là những sản phẩm trung gian của chu trình ATC như acid acetic, acid gluconic, acid fumaric, acid citric, acid lactic và hàng loạt các chất hữu cơ khác

•Những s øn phẩm nầy giống với sản phẩm của một số ả quá trình lên men, nên thường được gọi là quá trình “lên men oxyd hóa”

•Trong quá trình hô hấp hiếu khí không hòan toàn ,

năng lượng sinh ra tương đối thấp hơn nhiều so với hô

hấp hiếu khí hoàn toàn, vì phần lớn năng lượng được tích lủy trong các chất hữu cơ được tạo thành.

•Quá trình nầy đươc ứng dụng trong việc sản xuất các

chất hữu cơ bằng con đường tổng hợp sinh học.

Hô hấp hiếu khí không hoàn toàn:

• 1 Quá trình oxi hoá rượu thành giấm:

• Giấm là một dung dịch 3 – 6% acid acetic Để hở 1 cốc

rượu, vài ngày sau ta có giấm ăn Đây là quá trình mà vi sinh vật oxi hoá rượu thành acid acetic theo phản ứng:

• CH 3 CH 2 OH + O 2  CH 3 COOH + H 2 O + E calo

• Hai loài vi khuẩn có thể lên men giấm là:

• Acetobacter aceti: Trực khuẩn, xếp thành chuỗi, nhuộm

iod cho màu vàng Trong môi trường có độ rượu 11%, tích luỹ acid acetic 6% tạo váng mỏng.

• Acetobacter pasteurianum: tương tự trên, nhuộm với iod

tạo màu xanh, tạo váng khô nhăn nheo.

• 2 Sự tạo thành acid citric:

• Phương trình tổng quát:

• 2C 6 H 12 O 6 + 3O 2  2C 6 H 8 O 7 + 4H 2 O

• Acid citric được dùng làm nước giải khát, bánh kẹo, đồ hộp

trong các ngành y dược, nhuộm, in, v.v…

Hô hấp kị khí ( respiration anearobic)

• Hô hấp kị khí là quá trình oxy hóa- khử cơ

chất dinh dưỡng để tạo năng lượng trong điều kiện vắng mặt oxy không khí Cơ chất cũng bị oxyd

hóa bằng sự tách hydrogen bởi các enzime vận

chuyển e- của chuổi hô hấp, nhưng thay vì

hydrogen được vận chuyển đến chất nhận e- cuối cùng là oxy không khí thì nó được chuyển đến

chất nhận cuối cùng là các chất vô cơ có oxy:

•

Hô hấp nitrat: ( quá trình amon hóa nitrat và phản nitrat)

• Nhiều vi khuẩn hiếu khí khi sống trong điều kiện kị khí có khả năng dùng nitrat làm chất nhận hydro cuối cùng Đâây là các vi khuẩn kị khí tùy

ý, bao gồm : một số loài Bacillus, Aerobacter, E.coli Các vi khuẩn nầy,

một số có khả năng khử nitat thành amoniac ( quá trình amon hóa nitrat), trong khi đó một số khác , lại có khả năng khử nitrat để giài phóng nitơ phân tử (quá trình phản nitrat)

• Như vậy , quá trình hô hấp nitrat gồm 2 quá trình khác nhau:

• Quá trình amon hóa nitrat

• Quá trình phản nitrat

•Hình 2.8 Cơ chế quá trình hô hấp Nitrat ở vi sinh vật

• *Hô hấp sulphat ( quá trình phản sulphat)

• Đây là quá trình sử dụng sulphat như là chất nhận hydro cuối cùng trong quá trình oxyd hóa- khử cơ chất dinh dưỡng (vô cơ hay hữu cơ) Chỉ có một số loài vi sinh vật đặc biệt mới có khả năng nầy Chúng là các vi khuẩn hô hấp kị khí bắt buộc, được gọi chung là vi sinh vật phản sulphat, bao gồm 2 giống :

Desulfovibrio, Desultomaculum Ngoài ra, có một số các vi khuẩn tự dưỡng hóa năng cũng có khả năng nầy, vi khuẩn oxy hóa hydro để tạo năng lượng cho cơ thể bằng cách sử dụng sulphat làm chất nhận hydro

• Cơ chế :

• SO4 = + 8e- + 8H + S 2- + 4H2O

• Cơ chất có thể bị oxyd hóa - khử bởi sulphat như sau:

• * Cơ chất hữu cơ:

• 2 CH 3 CHOH- COOH + SO4= CH3COOH + CO2 + H2S + 2 OH - +E calo

• *Cơ chất vô cơ:

• 4 H2 + Hø2SO4 H2 S + 4H2O + E calo

• Quá trình khử CO2 tạo thành metan

• Một số vi khuẩn như Clostridium aceticum,

Methanobacterium omelianski có thể oxyd hóa hydro phân tử

trong điều kiện kị khí bằng cách sử dụng CO2 hoặc carbonat như là chất nhận e- cuối cùng, kết quả CO2 sẽ bị khử và tạo thành metan Phản ứng như sau :

• CO2 + 4H2 CH4 + 2H2 O

• Vikhuẩn Methanosarcina barkeri lại có khả năng chuyển hóa

oxid carbon thành CH4 trong điều kiện kị khí Quá trình nầy gồm 2 bước:

• 4CO + 4H2 O 4CO2 + 4 H 2

• CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

•

• 4 CO2 + 2H2O CH4 + 3CO2

Quá trình lên men ( fermentation)

•Lên men là quá trình sinh năng lượng từ sự oxyd hóa- khử chất hữu cơ trong điều kiện không có mặt oxy không khí Trong quá trình nầy chất hữu cơ bị oxyd hóa là do sự tách

hydrogen khỏi cơ chất (chẳng hạn như glucos), hydrogen được

tách ra, hoặc có thể được thải ở dạng khí hoặc được chuyển đến chất nhận là sản phẩm phân giải của chính cơ chất đó

( acid pyruvic)ù.

•Như vậy trong sự lên men , chất hữu cơ vừa là chất cho,

và cũng vừa là chất nhận điện tử Năng lượng sinh ra trong

các quá trình lên men thấp hơn nhiều so với quá trình hô hấp

hiếu khí

•Trong lên men có hai hiện tượng đáng chú y :

•1/ Sự oxyd hóa NADH thành NAD+

•2/ Chất nhận điện tử là pyruvat hay các chất dẩn xuất từ pyruvat

•Đó là các quá trình lên men rượu, acid lactic, acid propionic, acid hỗn hợp, acid butiric và acid

Các kiểu lên men ở VSV

Lên men lactic

• Trong quá trình nầy , a.pyruvic sẽ bị khử trực tiếp (nhận H2) thành a.lactic

Người ta tìm thấy các vi khuẩn (vi khuẩn lactic , Bacillus) , các tảo ( Chlorella),

một vài loại nấm mốc thủy sinh, các protozoa, cũng như các cơ bấp của động vật , đều có khà năng lên men lactic

• Vi khuẩn lên men lactic được chia thành 2 nhóm:

• *Lên men lactic đồng hình

•

• Protein  Peptone  polypeptit  axit amin  NH3

•

Phenol, Indol, Scatol, Amin,

• Mecaptan, H2S, CO2

Protein  Peptone  polypeptit  axit amin  NH3

H 2 , CO 2 ← Axit béo Phenol, Indol, Scatol, Amin, Mecaptan, H 2 S, CO 2

CO 2 , H 2 O ← Metan

• Lên men rượu:

• Đa số các nấm men, các nấm mốc, một vài loài vi khuẩn, tảo hay

protozoa có khả năng lên men đường thành ethanol và CO2 Quá trình nầy gọi là quá trình lên men rượu Trong đó, pyruvat bị khử carboxyl biến thành acetaldehid , chất nầy bị khử (nhận hydro) thành ethanol nhờ enzime alcooldehydrogénase

•

Glucose -> a.lactic + a acetic +a succinic + ethanol + CO2

Lên men lactic dị hình:

Ngoài acid lactic (40%) còn tạo một lớn sản phẩm khác như: acid

succinic và ethanol (20%), acid acetic ( 10%), các chất khí như CO 2 và H2 (20%)

Quy trình muối dưa cải

• Cải bẹ lựa chọn xử lý sơ bộ xếp cải vào thùng chứa rửa sạch

đổ nước muối ngập cải cài nén chặt Bảo quản thành phẩm lên men

Quy trình sản xuất nem chua

Thịt heo tươi 95% Da heo 5 % Lọc mở, gân

Làm nhuyễn

Quết mịn Ướp gia vị

Tạo hình

Thêm tỏi , ớt Bao gói

phơi (se mặt)

Công nghệ sản xuất bia

Nấu malt (90- 100 0 C) Nấu gạo Phối hợp hổn hợp malt – gạo

Để lắng ( lọc bỏ xác hoa Hublon) Nước gạo –malt nấu 60 0 C+ hoa Hublon (15- 20g/10 lít)

Hạ bằng nhiệt độ lên men nhiệt độ

Giai đoán 1 Chuẩn bị malt

Giai đọan 2:Chuẩn bị dịch lên

men

Giai đọan 3: lên men

Giai đọan 4: thành phẩm bảo quản

VANG TRẮNG VANG ĐỎ

LOẠI CUỐNG VÀ ÉP LOẠI CUỐNG VÀ ÉP

NGÂM Ủ VÀ LẮNG (TÙY CHỌN) NGÂM Ủ DỊCH VÀ VỎ

ÉP LÊN MEN DỊCH VÀ VỎ

LÊN MEN DỊCH ÉP

CHUYỂN SANG THÙNG LÊN MEN MALOLACTIC (NẾU CẦN THIẾT) TÀNG TRỮ (TRONG THÙNG SỒI NẾU CẦN)

ỔN ĐỊNH - LÀM TRONG

LỌC ĐÓNG CHAI

Hô hấp hiếu khí và lên men n m men ở ấ

•4 Lên men propionic:

•Lên men propionic là quá trình chuyển hóa glucid thành acid propionic Đầu tiên glucose được chuyển theo chu trình Embden-Meyerhof, sau đó

acid pyruvic được carboxyl hóa và tiếp tục chuyển hóa thành acid propionic Quá trình chuyển hóa acid pyruvic thành propionic đòi hỏi có sự tham gia của các biotin, vitamin B 12 , coenzim A.

•Vi khuẩn thực hiện lên men propionic thuộc giống Propioni bacterium Đó là những vi khuẩn G+, yếm khí , không di động, không sinh bào tử, phân bố rộng rải trong tự nhiên Người ta gặp chúng trong dạ cỏ và đường tiêu hóa các loại động vật nhai lại.

•Vi khuẩn propionic đóng vai trò quan trọng trong quá trình làm chín phómat.

Lên men butiric :

•Đường glucos dưới tác dụng của một số vi khuẩn yếm khí đặc biệt được chuyển hóa để tạo thành acid butiric Trong quá trình nầy ngoài acd butiric còn có các s n phẩm khác như: acd acetic, ả

aceton., rượu bbutanol

•Vi khuẩn lên men butiric chủ yếu thuộc giống Clostridium

bao gồm : Clostridium butiricum, Cl., Cl pasteurianum

lactoacetophilum Vi khuẩn Clostridium tham gia tích cực vào quá

trình phân giãi các xác hữu cơ trong tự nhiên

•Quá trình lên men butiric cũng gây ảnh hưỡng xấu trong quá trình bảo quản hoa quả, thực phẩm và quá trình muối dưa, ủ chua thức ăn trong chăn nuôi

• Một số loài Clostridium được ứng dụng trong công nghiệp sản xuất các loại hóa chất quan trong như: aceton, butanol, acid

butiric, izopropanol

VSV TỰ DƯỠNG HOÁ NĂNG

• Vi khuẩn tự dưỡng hóa năng thường sống trong đất và

trong nước, có thể là loại hiếu khí (dùng O2 làm chất nhận e- ) hay là loại kị khí ( dùng NO3 hay SO4 làm chất nhận e-)

Vi sinh vật tự dưỡng hóa năng kị khí là mội loại hình sinh

vật rất đặc biệt, sống và phát triển được ở những nơi không có chất hữu cơ , thậm chí không có oxy Có ý kiến cho rằng chúng có thể hiện hữu trên các hành tinh ngoài trái đất

•

•QUÁ TRÌNH TẠO NĂNG LƯỢNG TỪ SỰ OXYD

• Vi khuẩn tự dưỡng hóa năng có hai loại :

• *Vi khuẩn tự dưỡng hóa năng bắt buộc chỉ có thể phát triển trong môi trường hoàn toàn không có chất hữu cơ ( hoá tự

dưỡng vô cơ -chemolithoautotrophe).

• * Vi khuẩn tự dưỡng hóa năng không bắt buộc, chúng có thể phát triển tốt hơn trong môi trường có thêm chất hữu cơ, khi đó chúng có thể dùng chất hữu cơ làm nguồn năng lượng

thay vì sử dụng chất vô cơ (hóa tự dưỡng hữu cơ

-chemoorganoautotrophe).

– Các nguồn thức vô cơ của VSV hoa ùnăng tự dưỡng gồm: khí H 2 , khí H 2 S và các hợp chất chứa lưu huỳnh, NH 3, No 2, , ion sắt Fe+++

…

• 1 Quá trình oxyd hóa hydro

• Hydro luôn luôn được sinh ra trong tự nhiên do quá trình phân giải

kị khí các chất hữu cơ nhưng người ta không thấy hydro tích tụ nhiều trong tự nhiên Đó là do trong môi trường có những vi sinh vật có khả năng oxyt hóa hydro thành nước tạo năng lượng cung cấp cho cơ thể Những vi sinh vật này gọi là vi sinh vật hydro, bao gồm một số vi

khuẩn và xạ khuẩn Vi khuẩn hydro quan trọng nhất là giống

Hydrogenomonas (đa số là các Pseudomonas) chúng có hệ thống men

vận chuyển hydro là NAD có thể chuyển H2 đến Oxy để tạo thành nước theo phản ứng sau:

• Vi khuẩn Methanobacterium omeliansky có khả năng oxyd hóa hydro

bằng cách khử khí CO2 tạo thành khí metan CH4.

•

• 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O + năng lượng

• Năng lượng được giải phóng sẽ được các vi sinh vật này dùng để tổng hợp chất hữu cơ từ CO2 của không khí.

4 Sự oxyd hóa các hợp chất nitơ

•Một số vi khuẩn có khả năng oxyd hóa các

hợp chất nitơ vô cơ làm nguồn năng lượng

như : NH4+, NO2- Đấy là các vi khuẩn nitrat hóa, một loại vi khuẩn tự dưỡng hóa năng bắt buộc do một nhà khoa học Nga, X.N

Vinograski phát hiện năm 1892

•Thực chất quá trình nitrat hóa gồm hai giai

đoạn chính , mỗi giai đoạn do một nhóm vi

sinh vật chuyên biệt đảm trách:

•* Giai đọan nitrit hóa:

•NH4+ sinh ra do sự phân giải các hợp chất hữu cơ có chứa nitơ (quá trình thối rửa) sẽ bị một nhóm các vi khuẩn trong đất

oxyd hóa thành NO

2-•2 NH4+ + 1/2 O2 NO 2- + 2H+ +

năng lượng

•Các vi khuẩn tham gia giai đoạn này gồm : Nitrosomonas,

Nitrosococcus (dạng cầu), Nitrospira (dạng xoắn).

• Giai đọan nitrat hóa:

•NO 2- vừa được sinh ra trong môi trường sẽ tiếp tục bi oxyd

hóa bởi nhóm vi khuẩn nitrat hóa như: Nitrobacter, Nitrococcus

•NO 2- + 1/2 O2 NO 3- + năng lượng

•Trong cả hai trường hợp, năng lượng sinh ra được các vi

khuẩn dùng để đồng hóa CO 2 của không khí tổng hợp nên chất hữu cơ của cơ thể