báo cáo tốt nghiệp DINH DƯỠNG CACBON và VAI TRÒ của VI SINH vật TRONG VÒNG TUẦN HOÀN TRONG tự NHIÊN

Một số vi khuẩn lam có nguồn dự trữ N cyanophycin Nguồn thức ăn cacbon của vi sinh vật Căn cứ vào nguồn thức ăn cacbon mà người ta chia vi sinh vật thành các nhóm sinh lý sau đây: * Nhóm

TRƯỜNG: CAO ĐẴNG ĐỨC TRÍ

KHOA: CÔNG NGHỆ SINH HỌC _ MÔI TRƯỜNG

LỚP: 10SH_MT

BÀI BÁO CÁO

VI SINH

ĐỀ TÀI: DINH DƯỠNG CACBON VÀ VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG VÒNG TUẦN HOÀN TRONG TỰ NHIÊN

MỤC LỤC

II DINH DƯỠNG CACBON CỦA VI SINH VẬT

III VÒNG TUẦN HOÀN CACBON

III.1 Sự phân giải xenluloza

III.2 Cơ chế của quá trình phân giải xenluloza nhờ vi sinh vật

III.3 Vi sinh vật phân hủy xenluloza

III.4 Sự Phân Giải Tinh Bột

IV TÀI LIỆU THAM KHẢO

I.MỞ ĐẦU

Cơ sở vật chất cấu tạo nên tế bào vi sinh vật là các nguyên tố hoá học Căn

cứ vào mức độ yêu cầu của vi sinh vật đối với các nguyên tố này mà người ta chia

ra thành các nguyên tố đa lượng và các nguyên tố vi lượng Các nguyên tố chủ yếu bao gồm: C, H, O, N, P, S, K, Mg, Ca và Fe Trong số này có 6 loại chủ yếu (chiếm đến 97% trọng lượng khô của tế bào vi sinh vật), đó là C, H, O, N, P và S

Bảng I.1: Lượng chứa trung bình các loại nguyên tố chủ yếu trong tế bào một

số nhóm vi sinh vật (% trọng lượng khô)

Nguyên tố

Vi khuẩn

Nấm men

Nấm sợi

C H O N P S

~50

~8

~20

~15

~3

~1

~50

~7

~31

~12

-~48

~7

~40

~5 Theo các tài liệu của Tempest (1969), Pirt (1975) và Herbert (1976) thì thành phần trung bình của các nguyên tố tạo nên tế bào vi sinh vật nói chung là như sau:

Bảng I.2: Thành phần các nguyên tố cấu tạo nên sinh khối tế bào

Nguyên

tố

% trọng lượng khô* Các nguồn dinh dưỡng điển

hình được sử dụng cho sinh trưởng VSV trong môi trường

Trung bình

Biên độ

C

O

N

H

P

S

50 21

12 8

3

1

45-58 18-31 5-17 6-8

1.2-10

CO2, hợp chất hữu cơ H20, 02, các hợp chất hữu cơ NH3, NO3-, các hợp chất hữu

cơ chứa N

Nước, các hợp chất hữu cơ Phosphate và các hợp chất chứa

Mg

Ca

Cl

Fe

Na

Những

nguyên tố

khác,Mo, Ni,

Co, Mn, Zn,

1 0.5 1 0.5 0.5 1 0.5

0.3-1.3

0.2-5 0.1-1.1

0.02-2.0

0.01-5.0

P

SO4-2, H2S, và các hợp chất chứa S

K+ (có thể thay thế bằng Rb+) Mg2+

Ca2+

Cl-Fe3+, Fe2+ và phức chất của Fe Na+

Lấy từ các ion vô cơ khác

Trong đó cacbon đóng vai trò quan trọng nhất, chiếm phần lớn trọng lượng của tế bào

II DINH DƯỠNG CACBON CỦA VI SINH VẬT

Khái niệm dinh dưỡng cacbon của vi sinh vật

Là nguồn vật chất cung cấp C trong quá trình sinh trưởng của vi sinh vật Trong tế bào nguồn C trải qua một loạt quá trình biến hoá hoá học phức tạp sẽ biến thành vật chất của bản thân tế bào và các sản phẩm trao đổi chất C có thể chiếm đến khoảng một nửa trọng lượng khô của tế bào Đồng thời hầu hết các nguồn C trong các quá trình phản ứng sinh hoá còn sinh ra trong tế bào nguồn năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của vi sinh vật Một số vi sinh vật dùng CO2 làm nguồn C duy nhất hay chủ yếu để sinh trưởng, khi đó nguồn C không phải là nguồn sinh năng lượng

Trong tự nhiên cacbon tồn tại ở 2 dạng chính là :

1.1 Vô cơ: tồn tại chủ yếu ở các dạng CO2,CO32-, các dạng cacbon đơn chất như kim cương, các loại than,

1.2 Hữu cơ: tồn tại trong xác động vật , thực vật, vi sinh vật Trong các sản phẩm có nguồn gốc sinh vật như:acid axetic, trong các nguồn nguyên liệu, nhiên liệu như CH4 , trong các hợp chất hữu cơ sinh ra bằng con đường hóa tổng hợp: thuốc nổ TNT, benzen,

Vi sinh vật sử dụng một cách chọn lọc các nguồn C Đường nói chung là nguồn C và nguồn năng lượng tốt cho vi sinh vật Nhưng tuỳ từng loại đường mà vi sinh vật có những khả năng sử dụng khác nhau Ví dụ trong môi trường chứa

glucose và galactose thì vi khuẩn Escherichia coli sử dụng trước glucose (gọi là nguồn C tốc hiệu) còn galactose được sử dụng sau (gọi là nguồn C trì hiệu) Hiện nay trong các cơ sở lên men công nghiệp người ta sử dụng nguồn C chủ yếu là glucose, saccharose, rỉ đường (phụ phẩm của nhà máy đường) tinh bột (bột ngô, bột khoai sắn ), cám gạo, các nguồn cellulose tự nhiên hay dịch thuỷ phân cellulose

Năng lực đồng hoá các nguồn C ở các vi sinh vật khác nhau là không giống nhau Có loài có khả năng sử dụng rộng rãi nhiều nguồn C khác nhau, nhưng có loài khả năng này rất chọn lọc Chẳng hạn vi khuẩn Pseudomonas có thể đồng hoá được tới trên 90 loại hợp chất C, nhưng các vi khuẩn thuộc nhóm dinh dưỡng methyl (methylotrophs) thì chỉ đồng hoá được các hợp chất 1C như methanol, methane

Các nguồn cacbon mà vi sinh vật sử dụng

Vi sinh vật sử dụng được hầu hết tất cả các nguồn cacbon trừ kim cương Nguồn C chủ yếu được vi sinh vật sử dụng gồm có đường, acid hữu cơ, rượu, lipid, hydrocarbon, CO2, carbonat

Bảng 2.1: Nguồn C được vi sinh vật sử dụng

Đường glucose, fructose, maltose, saccharose, tinh bột,

galactose, lactose, mannite, cellobiose, cellulose, hemicellulose, chitin

Acid hữu cơ acid lactic, acid citric, acid fumaric, acid béo bậc cao,

acid béo bậc thấp, aminoacid

Hydrocarbon khí thiên nhiên, dầu thô, dầu paraffin

Carbonate NaHCO3, CaCO3, đá phấn

Các nguồn C

khác

Hợp chất nhóm thơm, cyanide, protein, pepton, acid nucleic

Hình 2.2: Sản lượng sinh trưởng tối ưu khi vi sinh vật dị dưỡng

sử dụng các nguồn C khác nhau

Nguồn carbon thường được sử dụng trong công nghiệp lên men là rỉ đường (molasses) Sự khác nhau giữa rỉ đường mía và rỉ đường củ cải được thấy rõ trong bảng 2.3

Bảng 2.3: Thành phần hóa học của rỉ đường củ cải và rỉ đường mía

củ cải

Rỉ đường mía

Chất hữu cơ khá

đường

0,09

khoảng 0,06

Tỷ lệ các nguyên tố trong các hợp chất cao phân tử ở vi sinh vật có thể thấy

rõ trong bảng sau đây:

Bảng 2.4: Tỷ lệ các nguyên tố trong các cao phân tử ở tế bào vi sinh vật

khô

Trung bình

Biên

độ dao động

15c-75

30e

5f

20h

0i-15

0h-4j

0-45k

0l-5d

0-50k

0-80k

0-60k

0-20n

-Theo Herbert (1976) Các thông số được thu nhận từ các vi sinh vật khác nhau, không điển hình cho một nhóm nào

Ở E coli (trong pha sinh trưởng log) Theo Neidhardt et al (1990)

Các tế bào có nguồn dự trữ C

Bao gồm các cao phân tử như ARN, ADN, polyphosphate hoặc một số thành phần của thành tế bào

Tại mức độ có tỷ lệ sinh trưởng cao

Các tế bào sinh trưởng chậm

Các loài ký sinh không có thành tế bào

Vi khuẩn Gram(+)

Các chủng thay thế nguồn phospholipid bằng các chất tương tự chứa P tự do, trong điều kiện hạn chế nguồn P

Vi khuẩn Gram(-)

Các tế bào trong điều kiện hạn chế nguồn N

Hạn chế nguồn P

PHA (polyhydroxyaldehyde) chứa 3-hydroxyoctanoic acid

Một số nấm men và vi khuẩn

Một số vi khuẩn lam có nguồn dự trữ N cyanophycin

Nguồn thức ăn cacbon của vi sinh vật

Căn cứ vào nguồn thức ăn cacbon mà người ta chia vi sinh vật thành các nhóm sinh lý sau đây:

* Nhóm 1: Tự dưỡng

- Tự dưỡng quang năng: Nguồn C là CO2, nguồn năng lượng là ánh sáng

- Tự dưỡng hoá năng: Nguồn C là CO2, nguồn năng lượng là một số hợp chất vô cơ đơn giản

Các vi sinh vật thuộc kiểu dinh dưỡng này có khả năng đồng hóa CO2 hoặc các muối cacbonat để tạo nên các hợp hất caccbon hữu cơ của cơ thể Một số loài như vi khuẩn nitrat hóa chỉ có thể sống trên nguồn cacbon vô cơ là CO2 hoặc muối

là cacbonat gọi là tự dưỡng bắt buộc Một số có khả năng sống trên nguồn cacbon

vô cơ hoặc hữu cơ gọi là tự dưỡng không bắt buộc

* Nhóm 2: Dị dưỡng

- Dị dưỡng quang năng: Nguồn C là chất hữu cơ , nguồn năng lượng là ánh sáng, ví dụ ở vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía

- Dị dưỡng hoá năng: Nguồn C là chất hữu cơ, nguồn năng lượng là từ sự chuyển hoá trao đổi chất của chất nguyên sinh của một cơ thể khác Ví dụ ở động vật nguyên sinh, nấm, một số vi khuẩn

- Hoại sinh: Nguồn C là chất hữu cơ Nguồn năng lượng là từ sự trao đổi chất của chất nguyên sinh các xác hữu cơ Ví dụ ở nhiều nấm, vi khuẩn

- Ký sinh: Nguồn C là chất hữu cơ Nguồn năng lượng là lấy từ các tổ chức hoặc dịch thể của một cơ thể sống Ví dụ các vi sinh vật gây bệnh cho người, động vật, thực vật

Như vậy là tuỳ nhóm vi sinh vật mà nguồn cacbon được cung cấp có thể là chất vô cơ (CO2, NaHCO3, CaCO3 ) hoặc chất hữu cơ Giá trị dinh dưỡng và khả năng hấp thụ các nguồn thức ăn cacbon khác nhau phụ thuộc vào 2 yếu tố : một là thành phần hoá học và tính chất sinh lý của nguồn thức ăn này, hai là đặc điểm sinh

lý của từng loại vi sinh vật Trên thế giới hầu như không có hợp chất cacbon hữu cơ nào mà không bị hoặc nhóm vi sinh vật này hoặc nhóm vi sinh vật khác phân giải Không ít vi sinh vật có thể đồng hóa được cả các hợp chất cacbon rất bền vững như cao su, chất dẻo, dầu mỏ, parafin, khí thiên nhiên Ngay focmon là một hoá chất diệt khuẩn rất mạnh nhưng cũng có nhóm nấm sợi sử dụng làm thức ăn

Nhiều chất hữu cơ vì không tan được trong nước hoặc vì có khối lượng phân

tử quá lớn cho nên trước khi được hấp thụ, vi sinh vật phải tiết ra các enzim thuỷ phân (amilaza, xenlulaza, pectinaza, lipaza ) để chuyển hoá chúng thành các hợp chất dễ hấp thụ (đường, axit amin, axit béo )

Người ta thường sử dụng đường để làm thức ăn cacbon khi nuôi cấy phần lớn các vi sinh vật dị dưỡng Cần chú ý rằng đường đơn ở nhiệt độ cao có thể bị chuyển hoá thành loại hợp chất có màu tối gọi là đường cháy rất khó hấp thụ Trong môi trường kiềm sau khi khử trùng đường còn dễ bị axit hoá và làm biến đổi pH môi trường Để tránh các hiện tượng này khi khử trùng môi trường chứa đường người ta thường chỉ hấp ở áp lực 0,5 atm (112,50C) và duy trì trong 30 phút Với các loại đường đơn tốt nhất là nên sử dụng phương pháp hấp gián đoạn (phương pháp Tyndal) hoặc lọc riêng dung dịch đường (thường dùng nồng độ 20%) bằng

nến lọc hoặc màng lọc vi khuẩn sau đó mới dùng thao tác vô trùng để bổ sung vào các môi trường đã khử trùng

Khi chế tạo các môi trường chứa tinh bột trước hết phải hồ hoá tinh bột ở nhiệt độ 60 - 700C sau đó đun sôi rồi mới đưa đi khử trùng ở nồi hấp áp lực

Xenlulozơ được đưa vào các môi trường nuôi cấy vi sinh vật phân giải xenlulozơ dưới dạng giấy lọc, bông hoặc các loại bột xenlulozơ (cellulose powder, avicel )

Khi sử dụng lipit, parafin, dầu mỏ để làm nguồn cacbon nuôi cấy một số loại vi sinh vật phải thông khí mạnh để cho từng giọt nhỏ có thể tiếp xúc được với thành tế bào từng vi sinh vật

Để nuôi cấy các loại vi sinh vật khác nhau người ta dùng các nồng độ đường không giống nhau Với vi khuẩn, xạ khuẩn người ta thường dùng 0,5 - 0,2% đường còn đối với nấm men, nấm sợi lại thường dùng 3 - 10% đường

Hầu hết vi sinh vật chỉ đồng hoá được các loại đường ở dạng đồng phân D Cũng may là phần lớn các đồng phân của đường đơn trong tự nhiên đều là thuộc loại D chứ không phải loại L

Các hợp chất hữu cơ chứa cả C và N (pepton, nước thịt, nước chiết ngô, nước chiết nấm men, nước chiết đại mạch, nước chiết giá đậu ) có thể sử dụng vừa làm nguồn C vừa làm nguồn N đối với vi sinh vật

Phạm vi đồng hoá các nguồn thức ăn cacbon của từng loài vi sinh vật cụ thể rất khác nhau Có thực nghiệm cho thấy loài vi khuẩn Pseudomonas cepacia có thể đóng hoá trên 90 loại nguồn thức ăn cacbon khác nhau, trong khi đó các vi khuẩn sinh mêtan chỉ có thể đồng hoá được CO2 và vài loài hợp chất chứa 1C hoặc 2C mà thôi

Với vi sinh vật dị dưỡng nguồn thức ăn cacbon làm cả hai chức năng : nguồn dinh dưỡng và nguồn năng lượng

Một số vi khuẩn dị dưỡng, nhất là các vi khuẩn gây bệnh sống trong máu, trong các tổ chức hoặc trong ruột của người và động vật muốn sinh trưởng được ngoài nguồn cacbon hữu cơ còn cần phải được cung cấp một lượng nhỏ CO2 thì mới phát triển được

Trong công nghiệp lên men nguồn rỉ đường là nguồn cacbon rẻ tiền và rất thích hợp sử dụng đối với nhiều loại vi sinh vật khác nhau

Bảng 2.5 Thành phần hoá học của rỉ đường mía và rỉ đường củ cải

cải

Rỉ đường mía

Chất hữu cơ khác

đường

Dựa vào nguồn năng lượng

Dựa vào nguồn năng lượng người ta chia các kiểu dinh dưỡng của vi sinh vật thành các loại sau:

+dinh dưỡng quang năng

Vi sinh vật thuộc nhóm này có khả năng sử dụng trực tiếp năng lượng của ánh sáng mặt trời.thuộc nhóm này có 2 nhóm nhỏ:

a/ dinh dưỡng quang năng vô cơ: (còn gọi là tự dưỡng quang năng)

Vi sinh vật thuộc nhóm này có khả năng dùng các chất vô cơ ngoại bào để làm nguồn cung cấp electron cho quá trình tạo năng lượng của tế bào Thuộc nhóm này bao gồm các loại vi khuẩn lưu huỳnh.chúng sử dụng các hợp chất lưu huỳnh làm nguồn cung cấp electron trong các phản ứng tạo thành ATP của cơ thể

b/ dinh dưỡng quang năng hữu cơ:

vi sinh vật thuộc nhóm này có khả năng dùng các chất hữu cơ làm nguồn cung cấp electron cho quá trình hình thành ATP của tế bào

Vi sinh vật thuộc cả 2 nhóm trên đều có sắc tố quang hợp,chính nhờ sắc tố quang hợp mà vi sinh vật thuộc nhóm này có khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời chuyển hóa thành năng lượng hóa học tích lũy trong phân tử ATP Sắc tố quang hợp

ở vi khuẩn không phải clorofil như ở cây xanh mà bao gồm nhiều loại khác nhau như bacterilchlorifila,b,c,d… mỗi loại có một phổ hấp thụ ánh sán riêng

Vi sinh vật thuộc kiểu dinh dưỡng hóa năng có khả năng sử dụng năng lượng chứa trong các hợp chất hóa học có trong môi trường để tạo thành nguồn năng lượng của bản thân

c/ Dinh dưỡng hóa năng vô cơ

Vi sinh vật thuộc kiểu dinh dưỡng hóa năng vô cơ còn gọi là nhóm tự dưỡng hóa năng

Nó có khă năng sử dụng năng lượng sinh ra trong quá trình oxi hóa một chất

vô cơ nào đó để đồng hóa CO2 trong không khí tạo thành các chất hữu cơ của tế bào.trong trường hợp này chất cho electron là chất vô cơ, chất nhận electron là oxi hoặc một chất vô cơ khác

Trong số các vi khuẩn hiếu khí thuộc nhóm này có nitrosomonas, nitrobacter, thiobacillus… Vi khuẩn kị khí gồm có thiobacillus denitrificant, micrococcus denitroficans…

d/ Dinh dưỡng hóa năng hữu cơ

vi sinh vật thuộc kiểu dinh dưỡng này còn gọi là nhóm dị dưỡng hóa

năng.chúng sử dụng hợp chất hữu cơ trong môi trường làm cơ chất oxi hóa sinh năng lượng trong trường hợp này,chất cho electron của những vi sinh vật hiếu khí

là oxi,ở những vi sinh vật kị khí là chất hữu cơ hoặc vô cơ

ở trường hợp chất nhận electron là chất hữu cơ Người ta thường gọi là quá trình lên men Trường hợp chất nhận electron là chất vô cơ người ta mới chỉ phát hiện ở 2 loại vi khuẩn:vi khuẩn phản nitrat hóa, chất nhận điện tử là NO3-, vi khuẩn phản sunfat hóa chất nhận điện tử là SO42-.2 trường hợp này còn gọi là hô hấp nitrat và hô hấp sunfnat

III/ VÒNG TUẦN HOÀN CÁC BON

Môi trường đất, nước và không khí được liên kết thông qua chu trình Cacbon (C) nhờ quá trình quang hợp, góp phần làm giảm hàm lượng CO2 trong khí quyển Các quá trình chính trong chu trình tuần hoàn C gồm quá trình quang hợp, quá trình phân hủy các sản phẩm bài tiết Ngoài ra còn có quá trình hô hấp, quá trình khuyếch tán khí CO2 trong khí quyển

Vòng tuần hoàn Cacbon trong tự nhiên

Khí quyển là nguồn cung cấp C chính trong chu trình tuần hoàn C (chủ yếu ở dưới

dạng CO2) CO2 đi vào hệ sinh thái nhờ quá trình quang hợp và trở lại khí quyển nhờ quá trình hô hấp và quá trình đốt cháy

Thực vật lấy khí cacbonic (CO2) từ không khí dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời tạo ra chất hữu cơ

những biến đổi cho phép cacbon chuyển từ trạng thái khoáng sang trạng thái hữu cơ và ngược lại CTC qua bốn giai đoạn: cấu tạo (chu trình sinh, địa, hoá học), tái tạo - tiêu thụ, phân giải và dự trữ 1) Giai đoạn cấu tạo: thực vật có diệp lục có khả năng chuyển hoá khí cacbonic phân tán trong khí quyển hoặc kết hợp trong nước thành cacbon hữu cơ, tức là từ khí cacbonic chế tạo các chất hữu cơ (gluxit, lipit, vv.) Sự chuyển hoá này là hiệu quả của quang hợp Người ta đã đánh giá là hằng năm có khoảng 500 tỉ tấn khí cacbonic được chuyển vào các cơ thể sinh vật 2) Giai đoạn tái tạo - tiêu thụ: những động vật, thực vật không có chất diệp lục, nấm… tiêu thụ cây xanh hoặc động vật khác để sinh sống Chúng có thể là động vật ăn thịt, sinh vật kí sinh hay hoại sinh và chỉ có thể sử dụng cacbon dưới dạng hữu cơ Chúng chuyển phần tử cacbon hữu cơ thành yếu tố hữu cơ đơn giản do tế bào đồng hoá rồi tập hợp thành những hợp chất hữu cơ đặc hiệu Tế bào lấy năng lượng cần thiết cho sự sống của chúng từ hợp chất có cacbon (gluxit, lipit) và giải phóng khí cacbonic qua phổi (động vật ở cạn), mang (động vật ở nước), bề mặt thân thể (các cây xanh giải phóng khí cacbonic trong quá trình hô hấp) Như thế, cacbon luân chuyển trong giới sinh vật qua chuỗi thức ăn và vào mỗi giai đoạn của chuỗi này lại được giải phóng vào khí quyển hay vào nước dưới dạng khí cacbonic 3) Giai đoạn phân giải: chất hữu cơ thực vật không được tiêu thụ, cặn bã và xác động vật trở lại đất, ở đó chúng được vi sinh vật hoại sinh khoáng hoá Giai đoạn này gồm vô số chuỗi thức ăn, trong đó vi sinh vật nối tiếp nhau, sử dụng cặn bã của giai đoạn trước làm nguồn năng lượng và giải phóng khí cacbonic Một số chất như protein, đường được số lớn vi sinh vật tiêu thụ và phân giải nhanh, một số khác như xenlulozơ và licnin chố

III.1 Sự phân giải xenluloza

Xenluloza là thành phần chủ yếu của màng tế bào thực vật.hàng ngày,hàng giờ, một lượng lớn xenluloza được tích lũy trong đất