VI SINH MT (2)

câu 1: Quá trình trao đổi chất của vsvYÊU CẦU: 1/ Định nghĩa, Nguyên lý và đặc điểm 2/ Các nguồn dinh dưỡng và kiểu dinh dưỡng của VSV 3/ Các cơ chế vận chuyển dinh dưỡng vào bên trong t

VI SINH VẬT KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

ÔN TẬP

GVHD: TS Trần Nhật Phương, 2016

câu 1: Quá trình trao đổi chất của vsv

YÊU CẦU:

1/ Định nghĩa, Nguyên lý và đặc điểm

2/ Các nguồn dinh dưỡng và kiểu dinh dưỡng của VSV 3/ Các cơ chế vận chuyển dinh dưỡng vào bên trong tế bào 4/ Chuyển hóa nội bào và ngoại bào

Yếu tố cấu tạo của bản thân cơ thể sống

Biến đổi các chất đó

Thải vào môi trường các sản phẩm phân giải cũng như các sản phẩm hình thành trong quá trình sống của cơ thể

TRAO ĐỔI CHẤT LÀ GÌ?

Hấp thu các chất

từ môi trường bên ngoài

NGUYÊN LÍ VÀ ĐẶC

ĐiỂM

• Quá trình trao đổi chất bao gồm :

-Trao đổi năng lượng : Quá trình ôxi hoá - phân huỷ kèm theo sự giải phóng năng lượng cần thiết cho hoạt động sống.

-Trao đổi vật chất xây dựng tế bào gồm :

+Đồng hóa

+ Dị hóa

• Đồng hóa : Quá trình chuyển hoá các chất dinh dưỡng và chế

biến để tổng hợp ra các hợp chất riêng của tế bào (còn gọi là quá trình trao đổi chất xây dựng TB hay trao đổi chất kiến tạo).

• Dị hóa : Ngược lại quá trình phân huỷ các thành phần của tế bào VSV

NGUYÊN LÍ VÀ ĐẶC Đ I ỂM

Sơ đồ quá trình đồng hoá

Sơ đồ quá trình dị hoá

NGUYÊN LÍ VÀ ĐẶC ĐIỂM

Mối quan hệ giữa 2 quá trình:

- Trao đổi chất và trao đổi năng lượng liên quan chặt

chẽ với nhau.Cơ thể VSV muốn tạo ra năng lượng

để hoạt động sống phải dựa vào nguồn dinh dưỡng được hấp thu do quá trình trao đổi chất.

- Quá trình trao đổi chất thực hiện được là nhờ vào

năng lượng của tế bào.

Trao đổi năng lượng

Là các quá trình oxi hóa – hủy kèm theo sự giải phóng năng lượng cần thiết cho hoạt động sống gọi là quá trình trao đổi năng lượng.

Năng lượng tạo ra từ các quá trình oxy hoá sẽ được giữ lại trong những hợp chất giàu năng lượng như ATP,UTP acetin photphat, acetin Co.A, trong đó ATP là hợp chất năng lượng đóng vai trò quan trọng nhất.

ATP là những mạch cao năng, những mạch này dễ dàng đứt ra để giải phóng năng lượng,từ đây năng lượng được dùng cho hầu hết các phản ứng hoá học trong cơ thể vi sinh vật.

NGUỒN DINH DƯỠNG VÀ KIỂU DINH

DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT

Nguồn dinh dưỡng

Nguồn Nitơ

- Nguồn N là nguồn cung cấp N cho vi sinh vật để tổng

hợp nên các hợp chất chứa N trong tế bào.

- Các nguồn N: Protein, Ammone và muối ammone, nitrate, nguồn phân tử …

- Thường không là nguồn năng lượng Khi thiếu

nguồn C một số vi sinh vật kỵ khí trong điều kiện không có oxy sử dụng một số aminoacid làm nguồn năng lượng

Nguồn dinh dưỡng

Nguồn thức ăn khoáng của vi sinh vật.

Trong thiên nhiên có nhiều nguyên liệu có chứa nhiều chất khoáng cần thiết đối với vi sinh vật như khoai tây, nước thịt, sữa, huyết thanh, pepton, giá

đậu…

Chia làm hai loại:

Nguyên tố đại lượng( C, H, O, N, P, S)2- -

-HPO4 - + H2O H2PO2-4 + OH+

Nguyên tố vi lượng( Zn, Mn, Na, Cl, Mo, Se, Cu, W,

Br và B)

B ẢNG 1.N ỒNG ĐỘ CẦN THIẾT ĐỐI VỚI VI SINH VẬT CỦA CÁC NGUYÊN

TỐ KHOÁNG TRONG MÔI TRƯỜNG

Loại muối

Đối với vi khuẩn

Đối với nấm

và xạ khuẩn

(g/l)

1-2 1-2 0,2-0,5 0,02-0,1 0,005-0,02 0,01-0,05 Tới 0,06

…

Nguồn dinh dưỡng

Chất sinh trưởng:

- Nhân tố sinh trưởng là những hợp chất hữu cơ mà

có những vi sinh vật cần thiết để sinh trưởng.

- Các vi sinh vật khác nhau có những yêu cầu không giống nhau về chủng loại và liều lượng của các

nhân tố sinh trưởng

CÁC KIỂU DINH DƯỠNG CỦA VSV

Kiểu

dinh

dưỡng

Nguồn năng lượng

khuẩn oxi hóa lưu huỳnh,

ưỡng

CƠ CHẾ VẬN CHUYỂN THỨC ĂN VÀO TẾ BÀO CỦA VI SINH VẬT

Khuếch tán xúc tiến:

Theo cơ chế này, các chất đi qua màng phải được liên

kết với phân tử vận chuyển Pecmeaza (P) hay còn gọi

là protein thấm Có 2 loại vận chuyển nhờ

Pecmeaza: vận chuyển thụ động và chủ động.

Vận chuyển các chất đi từ nơi có nồng

độ cao đến nơi có nồng độ thấp (

thuận chiều gradien nồng độ)

Không cần tiêu tốn năng lượng.

Khuếch tán trực tiếp qua màng nhờ

các protein xuyên màng.

Ví dụ: vận chuyển O2, CO2, glucozo,

Vận chuyển các chất đi từ nơi có nồng

độ thấp đến nơi có nồng độ cao (ngược chiều gradien nồng độ)

Tiêu tốn năng lượng ATP Nhờ các kênh đặc hiệu trên màng

Ví dụ vận chuyển ion Na + , K + ,

Sự chuyển HÓA các chất

trong tế bào VSV

Có 2 hình thức chuyển biến các chất trong tế bào:

- Phân giải ngoại bào: là sự dị hóa xảy ra bên

ngoài tế bào Bằng cách tiết enzyme ra ngoài tế bào, cắt nhỏ thức ăn thành những mẩu nhỏ.

- Phân giải nội bào:Phân giải nội bào là sự dị

hóa xảy ra bên trong tế bào.

VD: Trong quá trình đường phân trong hô

hấp, như thủy phân protein, thủy phan

lipid,

Câu 2 :Trao đổi năng lượng trong hệ thống vsv YÊU CẦU

CẤU TẠO ATP

ATP là một hợp chất cao năng và được xem như là đồng tiền năng lượng của tế bào, nó cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sống của tế bào.

V AI TRÒ CỦA ATP

 Nguồn năng lượng chính cung cấp cho các hoạt

động sống của tế bào

 Tổng hợp các đại phân tử (DNA, RNA và Protein)

 Trong tổng hợp RNA, ATP là 1trong 4 nucleotic trực tiếp tham gia tổng hợp RNA

 ATP tham gia vào bảo trì cấu trúc của tế bào

 ATP liên quan đến quá trình co cơ, làm ngắn cầu nối giữa sợi actin và sợi myosin

Vai trò của ATP trong tổng hợp vật chất

- Sự hoạt hoá acid amin nhờ có ATP cung cấp năng lượng, enzyme amino.acyl - tARN - sintetase xúc tác

Vai trò vận chuyển của ATP

- ATP có vai trò trung tâm trong trao đổi năng lượng ở tế bào và cơ thể sống, là mắt xích liên hợp giữa các phản ứng thu năng lượng và phản ứng giải phóng năng lượng.

- Các quá trình oxy hoá – phân huỷ đi kèm với việc giải phóng

năng lượng cần cho hoạt động sống được gọi là quá trình trao đổi

năng lượng

- Có 3 nhóm sinh vật

+ Nhóm sinh dưỡng quang năng

+ Nhóm dinh dưỡng hóa năng vô cơ

+ Nhóm dinh dưỡng hóa năng hữu cơ

 Có 3 quá trình thu nhận năng lượng

Q UÁ TRÌNH TĐNL TRONG HỆ THỐNG CỦA VSV

- VK lưu huỳnh:

Nguồn năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của VK này được

sinh ra từ OXH H2S Như: Thiobacillus, Beggiatoa, Thiothrix,

Đặc điểm chung của quá trình oxy hoá S :

Quá trình Nitrat hoá gồm 2 giai đoạn

+ Oxy hoá muối amon thành nitrit:

2NH3 + 3O2 -> 2HNO2 + 2H2O + 158Kcal

+ Oxy hoá nitrit thành nitrat:

2HNO + O -> 2HNO + 48Kcal

 Dinh dưỡng quang năng vô cơ : còn gọi là tự dưỡng quang năng, 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.

 Dinh dưỡng quang năng hữu cơ có khả năng dùng các chất hữu cơ làm nguồn cung cấp eletron cho quá trình hình thành ATP của tế bào

- Quang hợp là phương thức dinh dưỡng của các sinh vật có khả năng chuyển hóa quang năng thành hóa năng tích trong các chất

hữu cơ

Quá trình quang hợp ở vi khuẩn có những nét khác biệt so với

thực vật bậc cao.

Chất cho điện tử là H hay các hợp chất S ở dạng khử đều là những

chất khử mạnh hơn H2O và các hợp chất hữu cơ.

CO2 + 2H2S Ánh

sáng CH2O + 2S + H2O

không phải NADP

- Tiến hành trong điều kiện yếm khí, quá trình khử CO2 được gắn

liền với quá trình oxy hóa của thực thể vô cơ hoặc hữu cơ Quá

trình này không thải khí O2 mà cũng không hút CO2.

* Vai trò của ánh sáng chỉ là để tạo ATP

Quá trình thu nhận năng lượng

từ các hợp chất hữu cơ

- Có 2 dạng là : hô hấp và lên men

1 Hô hấp (respiration): chuỗi hô hấp tham gia vào quá

Q UÁ TRÌNH TNNL TỪ CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ

Bản chất của quá trình hô hấp

Là một chuỗi các phản ứng oxi hóa khử

Glucôzơ được phân giải dần dần và năng

lượng được giải phóng từng phần

Tốc độ quá trình hô hấp nội bào phụ thuộc vào nhu cầu năng lượng của tế bào và đượcđiều khiển thông qua hệ E hô hấp

Các giai đoạn chính của quá trình hô hấp

Quá trình đường phân

Nơi diễn ra: tế bào chất

Sản phẩm:

C ÁC GIAI ĐOẠN CHÍNH CỦA QUÁ TRÌNH HÔ HẤP

Chu trình Crep

Nơi diễn ra: chất nền ti thể

Nguyên liệu: 2 Axit piruvic

Sản phẩm: CO2, NADH, FADH2, các chất hữu cơ trung gian

C ÁC GIAI ĐOẠN CHÍNH CỦA QUÁ TRÌNH HÔ HẤP

Chuỗi truyền electron hô hấp

Nơi diễn ra: Ti thể

C ÁC GIAI ĐOẠN CHÍNH CỦA QUÁ TRÌNH HÔ HẤP

Hô hấp kỵ khí

- Nhiều vi khuẩn có các chuỗi vận chuyển hoạt động

với các chất nhận electron từ bên ngoài khác O2 Quá trình sản sinh năng lượng này được gọi là hô hấp kỵ

khí.

Aeromonas, Bacillus và Thauera Wolinella

So với hô hấp hiếu khí, hô hấp kỵ khí kém hiệu q hơn tr

bắt n

ong việc t uồn từ ch

ổng hợp S

ỗ các chất

ản lượng ATP giảm đi nhận electron nói trên c thể k ử kém dương hơn so với O2.

p kỵ khí c í.

à có ích vì

ng hợp AT sphoryl hó hiếm ưu t

hiệu quả hơn lên men

P nhờ vận chuyển

a oxy hóa trong điều

hế trong các đất và bùn

thường là pyruvate hoặc dẫn xuất của nó.

- Trong lên men cơ chất bị oxy hóa một phần, ATP chỉ được tạo thành bởi phosphoryl hóa ở mức độ cơ chất và O2 là không cần thiết.

- Phân loại quá trình lên men:

Lên men hiếu khí : do vi sinh vật hiếu khí gây ra (có sự tham gia của oxy).

Lên men kỵ khí: do vi sinh vật kỵ khí tùy tiện gây ra.

Lên men

-Quá trình phân huỷ LÊN MEN ETYLIC

glucose trong điều kiện không có O2 tham gia

- Kết quả: C6H12O6 => 2CH3COCOOH + 2NADH2

Giai đoạn 2 của hô hấp kị khí là biến đổi axit pyruvic thành các sản phẩm như etanol, axit lactic, Đây là quá trình lên men.

-Lên men rượu.

Sự lên men rượu xảy ra qua 3 giai đoạn chính:

Thuỷ phân tinh bột thành glucose (nếu cơ chất là tinh bột).

- Đường phân glucose thành axit pyruvic và NADH2.

- Lên men rượu thật sự.

Giai đoạn lên men rượu xảy ra 2 phản ứng:

2CH3COCOOH => CH3CHO + CO2CH3CHO +

NADH2 => CH3CH2OH + NAD.

Như vậy kết quả chung của toàn bộ quá trình lên men rượu là

C6H12O6 + 2NAD =>

2CH3COCOOH + 2NADH2 2CH3COCOOH =>

2CH3CHO + 2CO2

2CH3CHO + 2NADH2 => 2CH3CH2OH + 2NAD -

C6H12O6 => 2CH3COCOOH + 2CO2

Lên men Lactic

• Là quá trình chuyển

hóa kị khí đường

với sự tích lũy của

axit lactic trong

môi trường

• Có hai kiểu lên

men lactic: đồng

hình và dị hình

Lên men propionic

• Axit propionic là sản phẩm lên men của một chi vi khuẩn có tên gọi là propionipacterium, quá trình

lên men propionic có vai trò quan trọng trong quá trình chế tạo phomat.

• Vi khuẩn propionic thu nhận năng lượng nhờ lên

men Chúng có thể dùng các chất như

glucozo,saccarozo, lactozo, các pentozo, axit lactic, axit malic, glyxeryl và các hợp chất khác làm cơ

chất sinh trưởng và lên men Các đường hexozo

được chúng phân giải theo con đường EMP.

Lên men fomic

• Cơ chế của quá trình lên men fomic của vi khuẩn:

Lên men butylric là axetol butanol:

Lên men axetat

Cơ chế giả thuyết của quá trình chuyển hóa CO2 thành

axit axetic ở vi khuẩn C.thermoaceticum như sau:

• Vi khuẩn ưa ẩm C.aceti có khả năng tổng hợp axetat

từ CO2 và hydro phân tử:

4H2 + 2CO2 → CH3COOH + 2H2O

IV.7/ Lên men xenlulozo

Các quá trình oxi hóa không hoàn

Đa số VSV tiến hành otxoi àhnóa hoàn

toàn các chất hữu cơ thành CO2và H2O

Tuy nhiên có một số VSV trong điều kiện cóoxi nó vẫn không có khả ngăng oxi hóa chất hữu

cơ thành CO2 và H2O mà sản phẩm tạo ra là các

chất hữu cơ chưa oxi hóa triệt để Quá trình này

gọi là quá trình oxi hóa không hoàn toàn (lên men

oxi hóa)

Câu 3: Quá trình phân hủy hiếu khí

Yêu cầu

• Bản chất của quá trình

• Điều kiện

• Nhóm Vi sinh vật – enzyme tham gia

• Cơ chế phân hủy tinh bột: Cấu tạo, các giai đoạn củaquá trình oxy hóa, Các enzyme tham gia vào phân

cắt, Năng lượng của quá trình oxy hóa hydrat

carbon

QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY HIẾU KHÍ

o Vi sinh vật phân giải các chất hữu cơ phức tạp thành

các chất vô cơ đơn giản và tạo ra năng lượng cho quá trình tổng hợp tế bào của chúng

o Quá trình này vi sinh vật cần cung cấp oxy liên tục để duy trì hoạt động phân hủy chất hữu cơ cũng như tạo ra các tế bào mới.

BẢN CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN

HỦY HIẾU KHÍ

• Chất hữu cơ + O2 vi khuẩn CO2 + H2O +Sinh khối vi khuẩn + Các chất dinh dưỡng thứcấp Hoặc

• Chất hữu cơ + O2 vi khuẩn CO2 + H2O +

Các sản phẩm oxy hóa các chất dinh dưỡng +

Các sản phẩm tổng hợp

52

Các phản ứng xảy ra trong quá trình phân hủy

• Oxy hóa các chất hữu cơ

∆H năng lượng được thải ra hoặc hấp thụ vào

(năng lượng ATP)

53

Theo Eckenfekler W.W và Connon D.J

Phân loại

VSV HK tự dưỡng VSV HK dị dưỡng

Vi sinh vật hiếu khí

M ô i t r ư ờ n g h o ạ t

đ ộ n g

Sinh vật Không khí

y

En zy me

Vi sinh vật lên men phân hủy hữu cơ: gồm 3

nhóm vi sinh vật

• Nhóm vi sinh vật phân hủy các hợp chất mạch

hở, rượu, axít, anđehit, xeton

• Nhóm vi sinh vật phân hủy các hợp chất thơm:

benzen, phenol, toluen,…

• Nhóm vi sinh vật oxy hóa: dãy polimetyl

(hiđrocacbon dầu lửa), parafin

55

Các loại vinh sinh vật trong phân hủy hiếu khí

Tên vi khuẩn Chức năng

Pseudomonas Phân hủy hidratcacbon, protein, các hợp chất

hữu cơ khác

và phần nitrat hóa

Arthrobacter Phân huỷ hidratcacbon

Bacillus Phân hủy hidratcacbon, protein…

Cytophaga Phân hủy các polyme

Zooglea Tạo thành chất nhầy( polysacarit), hình thành

chất keo tụ

Acinetobacter Tích lũy polyphosphat, phản nitrat

Nitrosomonas Nitrit hóa

Tên vi khuẩn Chức năng

Nitrobacter Nitrat hóa

Alcaligenes Phân hủy protein, phản nitrat hóa

Flavobacterium Phân hủy protein

Quá trình oxy hóa tinh bột

• Tinh bột là chất dự trữ chủ yếu và quan trọngcủa thực vật, đặc biệt là cây có củ Nó là 1loại polysacharide được cấu tạo bởi 2 thànhphần

ayamylaza và amylopectin Tỉ lệ 2 loại này th

đổi tùy theo loại tinh bột

• Chúng được cấu tạo bởi gốc α –

D-glucopiranoza liên kết với nhau qua dây nối 1- 4 glucozit và tạo thành mạch thẳng không phân nhánh.

• Chúng hoà tan trong nước nóng, chiếm

khoảng 25% trong tinh bột.

• Nó chứa 0,03% photpho, bắt màu xanh với

dung dịch iốt nhưng bị mất màu khi đun

nóng.

59

60

• Được tạo thành bởi các gốc α –

D-glucopiranoza và liên kết với nhau vừa qua dây nối 1 – 4, vừa qua dây nối 1- 6 glucozit, vì vậy có cấu tạo phân nhánh.

• Chiếm 75% trong tinh bột, chứa 0,1 – 0,8%

photpho, bắt màu tím hay màu đỏ tím với dung dịch iốt.

• Chúng trương lên trong nước nóng và tạo

thành hồ tinh bột.

61

62

Sự thủy phân tinh bột

• Khi thủy phân tinh bột bằng acid thì sản phẩm cuối

Thủy phân bằng enzym amilaza

64

Các loại amilaza

65

Vi sinh vật phân giải tinh bột

67

3.3 Oxy hoá Hydratcacbon

Hydratcacbon là một lớp phân tử sinh học đa dạng bao gồm các

đường đơn giản (monosacharide), các saccharide mạch ngắn

(oligosacharide) hay polysaccharide Trước khi đi vào vòng chuyển hóa, tất cả các dạng của hydratcacbon được phân giải thành glucose.68

Đường phân

Chu trình Krebs

Piruvate chuyển hóa thành Acetyl-CoA nhờ xúc tác của phức hợp enzyme là piruvat dehydrogenase, dihydrolipoyl

transacetylase và dihydrolipoyl dehydrogenase.

CH3-CO-COO - NAD + CH3-CO-S-CoA

Oxy hóa Acetyl-CoA

Phân tử CoA được oxy hóa triệt để thông qua một chuỗi phản ứng kế tiếp nhau trong chu trình Krebs, chúng được tách thành

được đưa đến cho Oxy thông qua chuỗi vận chuyển điện tử và phosphoryl oxy hóa để tạo H2O.

Krebs

CO2 + H2O

70

• Nhóm Vi sinh vật – enzyme tham gia

• Các công đoạn trong quá trình xử lý và giải thích các cơ chế vi sinh học xảy ra trong quá trình lên men metan: Khái niệm, Quá trình lên men, Các cơ chế vi sinh vật xảy ra trong quá trình lên men metan, Ứng dụng.

Các quá trình chuyển hóa của vi sinh vật kị khí trong

xử lý nước thải

Chất hữu cơ lên men kị khí

 Sử dụng vi sinh vật kị khí để phân giải chất

hữu cơ và vô cơ có trong nước thải

1 VSV kị khí trong xử lý nước thải

Tổng quan về quá trình xử lý kị khí nước thải

• Hỗn hợp khí sinh ra : khí sinh học hay biogas

• Methane có nhiệt trị cao (gần 9.000 kcal/m3)

=> nhiệt trị của Biogas khoảng 4.500 ÷ 6.000

kcal/m3, tùy thuộc vào phần trăm của metan hiện diện trong Biogas