VI SINH MT NHÓM 1

Cây trồng không đồng hóa trực tiếp nitơ hữu cơ, mà phải nhờ các loại vi sinh vật phân hủy và chuyển hóa nguồn nitơ bền vững thành ra nitơ dạng dễ tiêu NH3 hoặc NH4 + , cung cấp nguồn din

SO SÁNH

CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA SINH HỌC

CƠ BẢN NHỜ VI SINH VẬT TRONG CHU TRÌNH

NITO &

CACBON

BÁO CÁO

VI SINH MÔI

TRƯỜNG

-NHÓM

1 -1- LÊ THỊ KIỀU OANH

3- VÕ THỊ YẾN NHI

4- TRẦN ANH TUẤN

5- TRẦN THỊ PHI

Chủ đề:

SO SÁNH CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA SINH HỌC CƠ BẢN

NHỜ VI SINH VẬT TRONG CHU TRÌNH NITO VÀ CACBON

A/ Quá trình chuyển hóa sinh học cơ bản nhờ vi sinh vật trong chu trình Nito

Chu trinh Nito là một trong những chu trình quan trọng trong tự nhiên Trong

đó nguồn nito mang lại dinh dưỡng vô cùng thiết yếu cho con người, động vật, thực vật và cả vi sinh vật Vi sinh vật là một nhân tố quan trọng trong việc chuyển hóa sinh học cơ bản trong chu trình Nito

Nguồn dự trữ Nito trong tự nhiên rất lớn, chỉ riêng trong không khí Nito đã chiếm 78,16% thể tích Người ta ước tính trong bầu không khí bao trùm lên 1ha đất đai chứa 8 triệu tấn Nito, lượng Nito này có thể cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng hàng chục triệu năm nếu cây trồng đồng hóa được chúng

Trong cơ thể các loài vi sinh vật chứa khoảng 0.4 tỷ tấn Nito, trong các vật trầm tích chứa khoảng 4*1015 tấn Nito Nhưng tất cả nguồn Nito trên cây trồng đều không tự đồng hóa được mà phải nhờ vi sinh vật

Cây trồng không đồng hóa trực tiếp nitơ hữu cơ, mà phải nhờ các loại vi sinh vật phân hủy và chuyển hóa nguồn nitơ bền vững thành ra nitơ dạng dễ tiêu (NH3 hoặc NH4 + ), cung cấp nguồn dinh dưỡng nitơ cho cây trồng, quá trình này được

gọi là quá trình amôn hóa.

Tỉếp nối quá trình amôn hóa, các loài vỉ sinh vật lại chuyển hóa tiếp từ NH 3

thành NO 3 - được gọi là quá trình nitrat hóa.

Tiếp theo của quá trình nitrat hóa, các loại vi sinh vật lại chuyển hóa từ NO 3

- thành N 2 để bù trả nitơ cho không khí được gọi là quá trình phản nitrat hóa.

Dưới tác dụng của các loại vi sinh vật, nitơ không khí được chuyển vào các

hợp chất hữu cơ chứa nitơ được gọi là quả trình cố định nitơ phân tử.

Tất cả các quá trình: cố định - phân hủy - chuyển hóa và phản nitrat hóa

luôn xảy ra dưới tác dụng của các loài vi sinh vật và tạo được thế cân bằng nitơ Nhờ đó mà đã khép kín được vòng tuần hoàn nitơ trong tự nhiên

Đứng về phương diện Vi sinh vật, vòng tuần hoàn Nito được tóm tắt như sau:

Dưới đây là chi tiết những quá trình chuyển hóa sinh học cơ bản nhờ VSV trong chu trình Nito:

1- Quá trình Amon hóa (Quá trình khoáng hóa Nito)

Trong thiên nhiên tồn tại nhiều dạng hợp chất nitơ hữu cơ như protein, axit amin, axit nucleic, urê Các hợp chất này đi vào đất từ nguồn xác động, thực vật, các loại phân chuồng, phân xanh, rác rưởi Thực vật không thể đồng hoá được dạng nitơ hữu cơ phức tạp như trên, nó chỉ có thể sử dụng được sau quá trình amôn hoá Qua quá trình amôn hoá, các dạng nitơ hữu cơ được chuyển hoá thành dạng

NH4+ hoặc NH3

Trong sự amon hóa Ure

Ure là một loại hợp chất hữu cơ đơn giản chứa 46.6%N Hàm lượng Ure dễ tìm nhất là hàm lượng Ure trong nước tiểu Người ta tính rằng, trong nước tiểu có khoảng 2% Ure Mỗi ngày người lớn thải ra khoảng 1,2 lít nước tiểu, chứa khoảng 30g Ure Vậy nhân loại sẽ thải ra hàng vạn tấn Ure mỗi ngày, đó là chưa kể lượng Ure do các loài động vật thải ra Nếu không có các loài vi sinh phân giải và chuyển hóa, cây trồng sẽ ra sao, Trái đất sẽ hủy diệt như thế nào?

Vi khuẩn tiết ra enzyme diễn ra 2 giai đoạn:

+ Enzyme ureaza tiết ra bởi các vi sinh vật Urê sẽ bị thuỷ phân tạo thành muối cacbonat amoni

CO(NH2)2 + 2H20 (NH4)2CO3

+ Cacbonat amoni chuyển hoá thành NH3, CO2 và H2O

(NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H20

Trong sự amon hóa Protein

Dưới tác dụng của proteaza, các protein được phân giải thành các hợp chất đơn giản hơn (polipeptit, oligopeptit) Các chất này tiếp tục được phân giải thành axit amin nhờ tác dụng của men peptidaza ngoại bào; hoặc các chất này trực tiếp hấp thụ vào tế bào sinh vật, sau đó chuyển hóa thành axit amin

Các axit amin này một phần sinh tổng hợp tạo thành protein của vi sinh vật, một phần được tiếp tục phân giải để tạo thành NH3, CO2 và nhiều sản phẩm trung gian khác

Vi khuẩn: Bacillus mycoides, Bacillus mesentericus, B subtilis, Pseudomonas

fluorescens, Clostridium sporogenes

Xạ khuẩn: Streptomyces rimosus, Stretomyces griseus

Vi nấm: Aspergillus oryzae, A flavour, A niger, Penicilium camemberti v.v

Các vi sinh vật này đều có khả năng sản sinh vào môi trường men proteaza, proteinaza, peptidaza, chúng xúc tác quá trình thủy phân liên kết peptit

2- Quá trình Nitrat hóa

Sau quá trình amôn hoá, NH3 được hình thành một phần được cây trồng hấp thụ, một phần phản ứng với các anion trong đất tạo thành các muối amôn Một phần các muối amôn cũng được cây trồng và vi sinh vật hấp thụ Phần còn lại được oxy hoá thành dạng nitrat gọi là quá trình nitrat hoá

Trước kia người ta cho rằng quá trình nitrat hoá là một quá trình hoá học thuần tuý Sau này người ta mới tìm ra bản chất vi sinh vật học của nó Nhóm vi sinh vật

tiến hành quá trình này gọi chung là nhóm vi khuẩn nitrat hoá bao gồm hai nhóm

tiến hành 2 giai đoạn của quá trình Giai đoạn oxy hoá NH4+ thành NO2- gọi là giai đoạn nitrit hoá, giai đoạn oxy hoá NO2- thành NO3- gọi là giai đoạn nitrat hoá + Giai đoạn oxy hóa NH4+ thành NO2- nhờ Nhóm vi khuẩn nitrit hoá bao gồm 4

chi khác nhau: Nitrozomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus và Nitrosospira chúng

đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc

NH4 + + 3/2 O2 NO2 - + H2O + 2H + Q

+ Giai đoạn oxy hóa NO2- thành NO3- bao gồm 3 chi khác nhau: Niitrobacter,

Nitrospira và Nitrococcus.

vsv

ureaza

NO2- + ½ O2 NO3- + Q

Trước đây, người ta quan niệm Nitrat hóa là quá trình có lợi cho nông nghiệp,

vì cây trồng hấp thụ Nito ở dạng NO3- nhanh hơn ở dạng NH4 + Mặt khác quá trình chuyển hóa này làm tăng Axit cho môi trường, vì vậy làm tăng quá trình khoáng hóa một số muối khó tan như Phospho, Canxi, Magie, Kali…

Tuy nhiên, quá trình Nitrat hóa lại là quá trình có hại cho nông nghiệp, vì qua nhiều thí nghiệm cho thấy cây trồng hấp thụ Nito ở dạng NH4 + không thua kém gì

ở dạng NO3- Hơn nữa, quá trình chuyển hóa NH4 + thành NO3- làm tiền đề cho quá trình mất đạm trong đất qua các con đường thấm sâu, rửa trôi, đặc biệt là quá trình phản Nitrat hóa Dinh dưỡng Nito ở dạng NH4 + được giữ trong keo đất bền hơn ở dạng NO3-

Quá trình này làm cho đất chua đi, nó làm ảnh hưởng xấu cho quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng, và ảnh hưởng xấu đến hoạt động sống của khu

hệ vi sinh vật đất

3- Quá trình phản Nitrat

Quá trình chuyển hóa NO3- thành N2 để bù trả Nito cho không khí được gọi là quá trình phản Nitrat hóa

Người ta ước tính rằng cây trồng chỉ có khả năng hấp thụ được khoảng 50% lượng đạm bón vào đất, còn 50% còn lại bị mất theo 3 con đường sau: thấm sâu, rửa trôi và phản Nitrat hóa Trong 3 con đường trên, thì phản Nitrat hóa chiếm tới 90% tổng lượng đạm mất đi

Hai cơ chế quan trọng nhất của sự khử Nitrat sinh học là khử Nitrat đồng hóa

và dị hóa

+ Khử Nitrat đồng hóa

Bằng cơ chế này, NO3- được chuyển thành NO2- và NH4+ do vi sinh vật và thực vật

+ Khử Nitrat dị hóa

NO3  NO2  NO  N2O  N2

Tất cả các loài vi sinh vật tham gia vào quá trình phản Nitrat hóa đều là vi sinh vật yếm khí

Nhóm vi sinh vật thực hiện quá trình phản nitrat hoá phân bố rộng rãi trong đất

Thuộc nhóm tự dưỡng hoá năng có Thibacillus denitrificans, Hydrogenomonas

agilis Thuộc nhóm dị dưỡng có Pseudomonas denitrificant, Micrococcus denitrificanas sống trong điều kiện kỵ khí (ngập nước).

4- Quá trình cố định Nito phân tử

- Cơ chế của quá trình cố định Nito phân tử:

Trong suốt một thời gian dài trước đây, cơ chế của quá trình cố định Nito phân tử vẫn là một bí mật đầy hấp dẫn của tự nhiên Trong khi con người phải sử dụng những điều kiện kỹ thuật cao và tốn kém (400 – 500 0C; 200 – 1000 atm) để phá vỡ mối liên kết 3 phân tử của Nito Nhưng với các loài vi sinh vật cố định Nito, chúng có thể đồng hóa Nito ngay tại điều kiện nhiệt độ và áp suất rất bình thường

Có thể nói quá trình cố định Nito là một quá trình khử N2 thành NH3 nhờ enzyme nitrogenaza dưới sự có mặt của ATP

N2 + AH2 + ATP NH3 + A + ADP + P

(AH2 là chất cho e-)

- Vi sinh vật: Là loại vi sinh vật có khả năng cố định đạm Nito tự do trong không

khí và đất (cây trồng không hấp thụ được) tạo thành đạm dễ tiêu cung cấp cho đất

và cho cây trồng

nitrogena

za

Chúng bao gồm 3 nhóm chính: Nhóm vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh, nhóm vi khuẩn cố định nitơ sống tự do và nhóm vi tảo cố định nitơ Ở đây chúng ta chỉ nghiên cứu kỹ 2 nhóm đầu:

Vi khuẩn cố định nito cộng sinh với cây họ đậu:

Cây họ đậu hút nước, muối khoáng và các chất dinh dưỡng trong đất để nuôi cộng sinh, còn vi khuẩn nốt sần đồng hóa Nito trong không khí nuôi cho hệ cộng sinh Cứ như vậy chúng gắn bó với nhau như một hệ cơ thể tuyệt hảo

Tại các tế bào chứa vi khuẩn, vi khuẩn nốt sần xâm nhập vào tế bào chất tại đấy chúng phân cắt rất nhanh Từ dạng hình que sẽ chuyển sang dạng hình que phân nhánh gọi là dạng giả khuẩn thể Chính ở dạng giả khuẩn thể này vi khuẩn bắt đầu tiến hành quá trình cố định nitơ Thời kỳ cây ra hoa là thời kỳ nốt sần hình thành nhiều nhất và có hiệu quả cố định nitơ mạnh nhất Hiệu quả cố định nitơ thường thể hiện ở những nốt sần có kích thước lớn và có màu hồng của Leghemoglobin

Vi khuẩn cố định nito sống tự do trong đất, bao gồm vi khuẩn:

Azotobacter:

+Azotobacter chroococcum: có khả năng di động lúc còn non, khi già có khả

năng hình thành nang xác Khuẩn lạc lúc già có sắc tố màu nâu hoặc màu đen không khuếch tán vào môi trườg

+Azotobater beijerinckii: không có khả năng di động, có khả năng hình thành

nang xác Khuẩn lạc lúc già có màu vàng hoặc nâu sáng, sắc tố không khuếch tán vào môi trường

+Azotobacter vinelandii: có khả năng di động và hình thành nang xác Khuẩn

lạc màu lục huỳnh quang, sắc tố khuếch tán vào môi trường

+Azotobacter agilis: có khả năng di động, không tạo thành nang xác, khuẩn lạc

màu vàng lục huỳnh quang, sắc tố khuếch tán vào môi trường

Clostridium: là một loại vi khuẩn kị khí sống tự do trong đất, có khả năng đồng

hoá nhiều nguồn cacbon khác nhau như các loại đườn, rượu, tinh bột Nó thuộc loại kị khí nên các sản phẩm trao đổi chất của nó thường là các loại axit hữu cơ, butanol, etanol, axeton v.v Đó là các sản phẩm chưa được oxy hoá hoàn toàn

- Ngoài 2 nhóm vi khuẩn cố định nitơ sống cộng sinh với thực vật và sống tự

do trong đất như đã nói ở trên, còn có một số vi khuẩn có khả năng cố định nitơ sống trên bề mặt rễ và ăn sâu vào lớp tổ chức bề mặt rễ của một số loại cây hoà thảo như lúa, ngô, mía Đó là một loại vi khuẩn có dạng xoắn được phát hiện từ

năm 1974 thuộc chi Azospirillum Từ 1974 đến nay Azospirillum đã được nghiên

cứu nhiều trên thế giới Ở Việt Nam cũng có những nghiên cứu bước đầu và ứng

dụng chế phẩm Azospirillum nhằm mục đích nâng cao sản lượng của các cây hoà

thảo nói trên

- Ngoài các nhóm vi khuẩn cố định nitơ nói trên ra, còn có một số loài tảo đơn

bào cũng có khả năng cố định nitơ Ví dụ như tảo lam sống tự do và tảo lam sống

cộng sinh trong bèo hoa dâu Các loài này cũng đóng góp không nhỏ vào quá trình

cố định nitơ không khí

B/ Quá trình chuyển hóa sinh học cơ bản nhờ vi sinh vật trong chu trình Cabon

Cacbon trong tự nhiên nằm ở rất nhiều dạng hợp chất khác nhau, từ các hợp chất vô cơ đến các hợp chất hữu cơ Các dạng này không bất biến mà luôn luôn chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác, khép kín thành một chu trình chuyển hoá hoặc vòng tuần hoàn cacbon trong tự nhiên Vi sinh vật đóng một vai trò quan trọng trong một số khâu chuyển hoá của vòng tuần hoàn này

Các hợp chất cacbon hữu cơ chứa trong động vật, thực vật, vi sinh vật, khi các

vi sinh vật này chết đi sẽ để lại một lượng chất hữu cơ khổng lồ trong đất Nhờ hoạt động của các nhóm vi sinh vật dị dưỡng cacbon sống trong đất, các chất hữu

cơ này dần dần bị phân huỷ tạo thnàh CO2 CO2 được thực vật và vi sinh vật sử dụng trong quá trình quang hợp lại biến thành các hợp chất cacbon hữu cơ của cơ thể thực vật Động vật và con người sử dụng cacbon hữu cơ của thực vật biến thành cacbon hữu cơ của động vật và người Người, động vật, thực vật đều thải ra

CO2 trong quá trình sống, đồng thời khi chết đi để lại trong đất một lượng chất hữu

cơ, vi sinh vật lại bị phân huỷ nó Cứ thế trong tự nhiên các dạng hợp chất cacbon được chuyển hoá liên tục Dưới đây ta xét đến các quá trình chuyển hoá chính mà

vi sinh vật tham gia

Dưới đây là các quá trình sinh học sơ bản trong chu trình cacbon do vi sinh vật:

1- Quá trình phân giải xenluloza:

a Xenluloza trong tự nhiên:

Xenluloza là thành phần chủ yếu của màng tế bào thực vật Ở cây bông, xenluloza chiếm tới 90% trọng lượng khô, ở các loại cây gỗ nói chung xenluloza chiếm 40 – 50% Hàng ngày, ƒnzy giờ, một lượng lớn xenluloza được tích luỹ lại trong đất do các sản phẩm tổng hợp của thực vật thải ra, cây cối chết đi, cành lá rụng xuống Một phần không nhỏ do con người thải ra dưới dạng rác rưởi, giấy vụn, phoi bào, mùn cưa v.v… Nếu không có quá trình phân giải của vi sinh vật thì lượng chất hữu cơ khổng lồ này sẽ tràn ngập trái đất

Xenluloza có cấu tạo dạng sợi, có cấu trúc phân tử là 1 polimer mạch thẳng, mỗi đơn vị là một disaccarrit gọi là xenlobioza Xenlobioza có cấu trúc từ 2 phân

tử D – glucoza Cấu trúc bậc 2 và bậc 3 rất phức tạp thành cấu trúc dạng lớp gắn với nhau bằng lực liên kết hydro Lực liên kết hydro trùng hợp nhiều lần nên rất bền vững, bởi vậy xenluloza là hợp chất khó phân giải Dịch tiêu hoá của người và động vật không thể tiêu hoá được chúng Động vật nhai lại tiêu hoá được xenluloza

là nhờ khu hệ vi sinh vật sống trong dạ dày cỏ

b Cơ chế của quá trình phân giải xenluloza nhờ vi sinh vật:

Xenluloza là một cơ chất không hoà tan, khó phân giải Bởi vậy vi sinh vật phân huỷ xenluloza phải có một hệ enzyme gọi là hệ enzyme xenlulaza bao gồm 4

enzymê khác nhau Enzyme C 1 có tác dụng cắt đứt liên kết hydro, biến dạng xenluloza tự nhiên có cấu hình không gian thành dạng xenluloza vô định hình,

enzyme này gọi là xenlobiohydrolaza.

Enzym thứ ƒnzyme Endoglucanaza có khả năng cắt đứt các liên kết β – 1,4

bên trong phân tử tạo thành những chuỗi dài Enzym thứ 3 là Exo – gluconaza tiến

hành phân giải các chuỗi trên thành disaccarit gọi là xenlobioza Cả hai loại enzyme Endo và Exo – gluconaza được gọi là Cx Enzym thứ 4 là β – glucosidaza

tiến hành thủy phân xenlobioza thành glucoza

c Vi sinh vật phân huỷ xeluloza:

Trong thiên nhiên có nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng phân huỷ xenluloza nhờ có hệ enzym xenluloza ngoại bào Trong đó vi nấm là nhóm có khả năng phân giải mạnh vì nó tiết ra môi trường một lượng lớn enzym đầy đủ các thành phần Các nấm mốc có hoạt tính phân giải xenluloza đáng chú ý là Tricoderma Hầu hết các loài thuộc chi Tricoderma sống hoạt sinh trong đất và đều có khả năng phân huỷ xenluloza Chúng tiến hành phân huỷ các tàn dư của thực vật để lại trong đất, góp phần chuyển hoá một lượng chất hữu cơ khổng lồ Tricoderma còn sống trên tre, nứa, gỗ tạo thành lớp mốc màu xanh phá huỷ các vật liệu trên Trong nhóm vi nấm ngoài Tricoderma còn có nhiều giống khác có khả năng phân giải xenluloza như Aspergillus, Fusarium Mucor

Nhiều loài vi khuẩn cũng có khả năng phân huỷ xenluloza, tuy nhiên cường độ không mạnh bằng vi nấm Nguyên nhân là do số lượng enzym tiết ra môi trường của vi khuẩn thường nhỏ hơn, thành phần các loại enzym không đầy đủ Thường ở trong đất có ít loài vi khuẩn có khả năng tiết ra đầy đủ 4 loại enzy, trong hệ enzym