Giáo trình Vi sinh vật học môi trường: Phần 2

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:85

Thêm vào BST

Báo xấu

93
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 2 cuốn "Giáo trình Vi sinh vật học môi trường" trình bày khả năng chuyển hóa của vi sinh vật trong các môi trường tự nhiên, ô nhiễm vi sinh vật. Tham khảo nội dung giáo trình để nắm bắt nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vi sinh vật học môi trường: Phần 2

Chương 2 KHẢ NẢNG CHUYỂN HOÁ VẬT CHẤT CỦA VI SINH VẬT • TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG T ự# NHIÊN Sự chuyển hoá vật chất liên tục của vi sinh vật trong môi trường tự nhiên chính là yếu tố guyết định của sự tồn tại môi trường sống xung quanh chúng ta. Trong thiên nhiên vật chất luôn luôn chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác tạo thành những vòng tuần hoàn vật chất. Sự sông có được trên hành tinh chúng ta chính nhò sự luân chuyển đó. Trong các khâu của các chu trìn h chuyển hoá vật chất, vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng. Các nhóm vi sinh vật khác nhau tham gia vào các khâu chuyển hoá khác nhau. Nếu như vắng mặt một nhóm nào đó tlù toàn bộ quá trình chuyển hoá sẽ bị dừng lạỉ, điều này sẽ ảnh hưỏng đến toàn bộ hệ sinh th ái vì sự tổn tạ i của các loài sinh vật trong hệ sinh thái phụ thuộc vào nguồn thức ăn có trong môi trưòng. 1. KHẦ NẲNG CHUYỂN HOÁ CÁC H ộ p CHẤT CACBON TRONG M Ô I TRƯỜNG T ự N H IÊ N 1.1. V a i trò của v i sinh v ậ t tro n g vòng tu ẩn hoàn Cacbon Cacbon trong tự nhiên nằm ò rấ t nhiều dạng hợp chất khác nhau, từ các hợp chất vô cơ đến cấc hợp chất hữu cd. Các 4ạng này không bất biến mà luôn luôn chúyển hoá từ dạng này sang dạng khác, khép kín thành một chu trình chuyển hoá hoặc vồng 77
tuần hoàn cacbon trong tự nhiên. V i sinh vật đóng một vai trò quan tỉrọng trong một số khâu chuyển hoá của vòng tuần hoàn này. Cacbon Cacbon Thực vật ĩ)ộng vật Các hợp chất cacbon hữu cd chứa trong động vật, thực vật, vi sinh vật, khi các sinh vật này chết đi sẽ để lại một lượng chất hữu cơ khổng lổ trong đất. Nhò hoạt động của các nhóm v i sinh vật dị dưdng cacbon sống trong đất, các chất hữu Cd này dần dần bị phần huỷ tạo thành CO2. CO2 được thực vật và v i sinh vật sử dụng trong quá txinh quang hợp lạ i biến thành các hợp chất cacbon hữu cơ cua cơ thể thực vật. Độn^ vật và cọn ngựồỊ sử ciụng cacbon hữu cd của thực vật biến thành cacbon hữu cd của động vật và ngưòỉ. Người, động vật, thực vật đều th ải ra CO2 trong quá trình sếng, đổng thòi khi chết đi để lạ i trong đất một lượng chất hữu cd, vi sinh vật ỉạ i phân huỷ nó. Cứ thế trong tự nhiên các dạng hợp chất cacbon được chuyển hoá ỉiên tục. Dưóỉ đấy ta xét đến các quá trình chuyển hoá chíỉứi mà vỉ siiứi vẠt tham gia. 78
1.2. Sự phân g iả i xenluloxa 1.2,1. Xenluloza troHg tụ tthiin Xeniuloza là thành phần chủ yếu của màng tế bào thực vật. ở cây bông, xenluloza chiếm tới 90% trọng lượng khô, d các ỉoại cây gỗ nói chung xenluloza chiếm 40 - 50%. Hàng ngày, hàng giò, một lượng lớn xenỉuloza được tích luỹ lạ i 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 ngưòi thải ra dưới dạng rác rưỏi, 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 trá i đất. Xenỉuloza có cấu tạo dạng sợi, có cấu trúc phân tử ỉà 1 polimer mạch thăng, mỗi đơn vị là một dỉsaccarít gọi là xenlobioza. Xenỉobioza có cấu trúc từ 2 phân tử D - gỉucoza. Cấu trúc bậc 2 và bậc 3 rấ t phức tạp thành cấu trúc dạng lổp gắn vối nhau bằng ỉực liên kết hydro. Lực liên kết hydro trùng hợp nhiều lần nên rấ t bền vững, bỏỉ vậy xenỉuloza là hợp chất khó phân giải. Dịch tiêu hoá của ngưòi và động vật không thể tiêu hoá được chúng. Động vật nhai lạ i tiêu hoá được xenluloza ỉầ nhò khu hệ vi sinh vật sống trong dạ dày cỏ. U 2 . Cơ chế của quá tainh phân giổi xenlui0za nhở vi sùth vật Xenluloza là một cơ chất không hoà tan, khó phân giải. Bdi vậy vỉ sinh vật phân huỷ xenluk>za phải c6 một hệ eiìzym gọi ỉà hệ enzym xenỉulaxa bao gổm 4 enzym khác nhau. Enzyin Cj có tác dụng cắt đút liên kết hydro, biến dạng xenỉuỉoza tự nhiên có cấu hình không gian thành dạng xenluỉoza vô định hình, enzym này gọi ìà xenlobiohydroỉaza. Enzym thứ 2 ỉà Endoglucanaza có khả nâng cắt đứt các liên kết p - 1,4 bên trong ph&n tử tạo thành nhũng chuỗi dài. Enzym thứ 3 là Exo - gluconaza tiến hành phân giải các chuỗi 79
trên thành disaccarit gọi là xenlobioza. Cả hai loại enzym Endo và Exo - gluconaza được gọi ià c„. Enzym thứ 4 là p - glucosidaza tiến hành thuỷ phân xenlobioza thành gỉucoza. Ci Cx P-gỉucosidaza Xenluỉoza----- > Xenỉuioza----- > Xenỉobioza--------> Glucoza tự nhiên vô định hình U J . Vi sinh vật phán huỷ xenỉuloza Trong thiên nhiên có nhiều nhóm vị sinh vật có khả năng phân huỷ xenỉuỉoza nhò có hệ enzym xenluloza ngoại bào. Trong đó vi nấm ỉà nhóm có khả năng phân giải mạnh \ ì nó tiế t ra môi trường một lượng lớn enzym đầy đủ các thành phần. Các nấm mổc có hoạt tính phân giải xenluỉoza đáng chú ý là Tricoderma. Hầu hết các loài thuộc chi Tricoderma sống hoạt sinh trong đất và đều có khả năng phân huỷ xenluỉoza. Chúng tiến hành phân huỷ các tàn dư của thực vật để ỉạ i trong đất, góp phần chuyển hoá một ỉượng chất hữu cơ khổng lồ. Tricoderma. còn sống trên tre, nứa, gỗ tạo thành lóp mốc màu xanh phá huỷ các vật liệu trên. Trong nhóm vi nấm ngoài Tricoderma còn có nhiều giấng khác có khả năng phân giải xenluloza như AspergUlus, Pusarium, Mucor v.v... Nhiều loài vi khuẩn cũng c6 khả năng phân huỷ xenluỉoza, tuy nhiên cưdng độ không mạnh bằng vỉ nấm. Nguyên nhân là do sồ' lượng enzym tiế t ra môi tnỉòng của vi khuẩn thưòng nhò hơỉif thành phần các k>ại enzym khdAg đầy đủ. Thưổiig ô ứòhg đất có ít ỉoài vi khuẩn cố khẩ năng tiết ra đầy đủ 4 loại enz3rm trong hệ enzym xenỉitlaza. Nhóm này tiế t ra một loại enzym, nhóm khác tiế t ra các ỉoại khác, chúng phối hợp với nhau để phân giải cơ chất trong mối quan hệ hỗ sinh. Nhóm vỉ khuẩn hiếu khí bao gồm Pseudomonas, Xenllulòmonas, Achromobacter. 80
Nhóm vi khuẩn kỵ khí bao gồm Clostridium và đặc biệt ià nhóm vi khuẩn sống trong dạ cỏ của động vật nhai lại. Chính nhò nhóm vi khuẩn này mà trâu bò có thể sử dụng được xenlulỡza có trong cỏ, rơm rạ ỉàm thức ăn. Đó ỉà nhũng cầu khuẩn thuộc chi Ruminococcus có khả năng phân huỷ xenỉuloza thành đưòng và các axit hữu cơ. Ngoài vi nấm và vi khuẩn, xạ khuẩn và niêm vi khuẩn cũng có khả năng phân huỷ xenluloza. Người ta thưòng sử dụng xạ khuẩn đặc biệt là chi Streptomyces trong việc phân huỷ rác thải sinh hoạt. Những xạ khuẩn này thường thuộc nhóm ưa nóng, sinh trưỏng, phát triển tốt nhất ỏ nhiệt độ 45 - 50*c rất thích hợp vói quá trình ủ rác thải. 1.3. Sự p h ân g iả i tin h bột 1.3.1. Tinh bột trong tự nhiên Tinh bột là chất dự trữ chủ yếu của thực vật, bởi vậy nó chiếm một tỷ lệ lốn trong thực vật, đặc biệt là trong những cây có củ. Trong tế bào thực vật, nó tồn tại ỏ dạng các hạt tinh bột. Khi thực vật chết đi, tàn dư thực vật tích luỹ ỏ trong đâ't một lượng lón tinh bột. Nhóm vi sinh vật phân huỷ tinh bột sốhg ỏ trong đâ't sẽ tiến hành phân huỷ chất hưu cơ này thành các hỢp chất đđn giản, chủ yếu là đưòng và axit hữu cớ. Tinh bột gồm 2 thành phần amilo và amipectin. Amilo là những chuỗi không phân nhánh bao gồm hàng trăm đơn vị glucoza liên kết vói nhau bằng dăy nối 1,4 glucozit. Amilopectin là các chụỗỊ phân nhậnh; các đơn yị glụcoza liên kết với nhau bằng dây nối 1,4 và 1,6 glucozit (liên kết 1,6 glucozit tạ i những chỗ phân nhánh). Amilopectin chính là dạng kên kết của các amilo thưòng chiếm 10 - 30%, amiỉopectin chiếm 30 - 70%. Đặc biệt có một sấ dạng tinh bột ò một vài ioại cây chi chứa một trong hai thành phần amilo hoặc amilopectỉn. 1.3.2. Cơ chế cùa quá trinh phán giái tình bột nhớ vi sinh vật V i sinh vật phân giải tỉnh bột có khả nâng tiế t ra môi trường hệ enzym am ilaza bao gồm 4 enzym: 81
* a - am ilaza có khả năng tác động vào bất kỳ môi liên kết 1,4 gỉucozit nào trong phẫn tà tinh bột. Bdi thế a -am ilaza còn được gọi là endoamiỉaza. Dưói tác động của a - amiỉaza phân tủ tinh bột đưởc cắt thành nhiều đoạn ngắn gọi ỉà sự dịch hoá tinh bột. Sản phẩm của sự dịch hoá thưòng là các đưòng 3 cacbon gọi ỉà Mantotrioza. * p - am ỉlaza chỉ có khả năng cắt đứt mối iiên kết 1,4 gỉucozit ỏ cuối phân tủ tinh bột bỏi thế còn gọi là exoamiỉaza. Sản phẩm của p - am ilaza thưòng ỉà đưòng disaccarit mantoza. * Amilo 1,6 glucosidaza cố khẳ năng cắt đứt mỗi liên kết 1,6 glucosit tại nhũng chỗ phân nhánh của amilopectin. * Glucoamilaza phân giải tinh bột thành glucoza và các oỉigosaccarit. Enzym này có khả năng phân cắt cả hai loại ỉiên kết 1,4 và 1,6 glucozit. Dưổi tác động của 4 loại enzym trên, phân tử tinh bột được phân giải thành đường glucoza. p-amitaza Gtitcoam ilaza AmHo 1,6glucosldaza N. r y ^ a-am amilaza O r O r - O —o o— ẵ ^ -o o— o—a 0 0-0 - p4m ilaza Qlucoamỉlaxa a-wmấa2B a-am 8aza a-am Haza /J J . Visinh vật phán giẩi timh bột Trong đất c6 nhiều I 09 Ì v ỉ sinh vột co khả năng phân giải tinh bột. M ột 8Ố vi sũỉh vật có khả năng tiế t ra môi trưòng đầy đủ các loạỉ «nzym trong hệ enzym am ỉlaza. V í dụ như một số vi nấm bao gồm một sế ỉoài trong các chi AspergỉUus, Pusariỉts, Rhũopits... Trong nhóm vi khuẩn có một sế loài thuộc chi 82
Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas... Xạ khuẩn cũng có một sô' chi có khả năng phân huỷ tinh bột. Đa sô' các vi sinh vật không cố khả năng tiế t đầy đủ hệ enzym amilaza phân huỷ tinh bột. Chúng chỉ có thể tiết ra môi trưòng một hoặc một vài men trong hệ đó. V í dụ như các loài Aspergillus candidus, A. niger, A. oryzae, Bacillus subtilỉs, B. mesenterices, Clostridium pasteurianum, c. butiricum... chỉ có khả năng tiết ra môi trường một loại enzym a - aim ỉaza. Các loài Aspergillus oryzae, Clostridium acetobutilỉcum... chỉ tiết ra môi trường p - amiolaza. Một sô" loài khác chỉ có khả năng tiết ra môi trưòng enzym glucoamỉlaza. Các nhóm này cộng tác vối nhau trong quá trình phân hủy tinh bột thành đưòng. Trong sản xuất ngưòi ta thưòng sử dụng các nhóm vi sinh vật có khả năng phân hủy tinh bột. V í dụ như các loại nấm mốc .thưòng được dùng ở giai đoạn đầu của quá trình làm níỢu, túc là giai đoạn thủy phân tinh bột thành đường. Trong chế biến rác thải hữu cơ ngưòi ta củng sử dụng những chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy tinh bột để phân hủy tinh bột có trong thành phần rác hữu cơ. 1.4. Sự phân g iả i đường đơn ở phần 2 và 3 chúng ta thấy kết quả của quá trìn h phân giải xèhlúlozá và tinh bột đều tạo thẰnh đường đdn (đưèttig 6 cacbon). Đưòng đờn tích lũy lại trong đất 8ẻ được tiếp tục phần giải các nhóm vi sinh vật ph&n giải đưòng. Có hai nhóm vi sinh vật phân giải đưòng; nhóm háo kh í và nhóm lên men. 1.4.1. Sự phán giải đường nhờ các quá trình Un men Sản phẩm của sự phân giải đưòng nhò các quá trìn h lên men là những chất hữu cơ chưa được oxy hóa triệ t để. Dựa vào các sản phẩm sinh ra ngưòi ta đặt tên cho các quá trin h đó: 83
1.4.1.1. Quá trình lên men etylic Quá trình lên men etylic còn được gọi là quá trình lên men rượu. Sản phẩm của quá trình là rượu etylic và CO2. Dưới tác dụng của một hệ thống enzym sinh ra bỏi vi sinh vật, glucoza được chuyển hóa theo con đưòng Embden - Mayerhoí để tạo thành pyruvat. Pyiruvat dưối tác dụng của men piruvat decacboxylaza và tiam ỉn pirophotphat sẽ khử cacboxyl tạo thành axetaldehjrt. Axetaldehyt sẽ bị khử thành rượu etylic. Đó chính là cơ chế của quá trình ỉên men rượu, quá trinh này ngoài tác dụng của ,hệ thống enzym do vi sinh vật tiế t ra còn đòi hòi sự tham gia của photphat vô cơ; 2 CeHịịOc + 2 H3PO4-----> 2 CO2 + 2 CH3CH2OH + 2 H2O + fructoza 1,6 diphotphat Đó ỉà kiểu lên men rượu bình thường. Khi có mặt của NaHCOa hay N 02HPO 4 quá trình lên men sẽ sinh ra một sản phẩm khác là Glyxerin đồng thòi hạn chế sự sinh ra rượu etylic. Nhiều loài vỉ sinh vật có khả năng ỉên men rượu, trong đó mạnh nhất là có. ý nghĩa kinh tế nhất ỉà nấm men Saccharomyces cerevừiae. Ngưòi ta thường ứng dụng quá trình lên men rựợu để sản xuất rượu, bia, nưóc giải khát ỉên men. Khi sử dụng nguổn tinh bột để chế tạo níỢu thì ngưòi ta phải tiến hành 2 bưóCk bưóc 1 ià quá trìn h phân hủy tinh bột thành đường thường dừng các ỉoàỉ nấm mốc phân hủy tinh bột. Bước 2 mdi- là
rượu còn được dùng trong việc ủ men thức ăn gia súc. Thức ăn gia súc được ủ men có hương vỊ thơm ngon kích thích tiêu hóa của gia súc. 1.4.1.2. Quá trình lên men Lactic Quá trình phân giải glucoza thành axỉt lactic được gọi là quá trình lên men lactic. Có 2 loại lên men lactic đồng hình và lên men lactic dị hình. ở sự lên men lactic đồng hình glucoza bị phần giải theo con đường Embden - Mayerhof tạo thành axit pyruvic, axit P5rruvic khử thành axit lactic: 2 CH3 COCOOH axit pyruvic ►NAD.H NAD* M C 8H 12 O 6 2CHXH0HC00H Glucoza axit ỉactic Quá trình lên men lactic đồng hình được thực hiện bỏi nhóm vi khuẩn Laetobacterium vk Streptococeus. ở sự lên men lactic dị hình glucoza bị phân giải theo con đường pentozophotphat. Sẳn phẩm của quầ trình ỉên men ngoài axit lactic còn có rượu etylic, axit axetic và gỈ3rxerín: CeHiịOe ^ CH3CHOHCOOH + CH3COOH + CHsCHaOH a. lactic a. axetic rượu etyỉic + CH2 OHCHOHCH2 OH + CO2 + Q -glyxetin 85
Vi khuẩn ỉactic thường đòi hỏi nhiều loại chất sinh trưỏng, chúng khó có thể phát triển trên môi trưòng tổng hợp mà chì có thể sống trên môi trưòng có các chất hữu cơ như nước chiết nấm men, sữa, máu v.v... Chúng thưòng phân bố trên thực vật hoặc xác thực vật, trong sữa, các sản phẩm của sữa, trong ruột ngưòi và động vật. Quá trình iên men lactic được ứng dụng .để chế tạo axit ỉactỉc, muôi rau quả, chế biến sữa chua v.v... Rau quả đước mucỉ, sũa biến thành sữa chua sau quá trình lên men lactic đều có tác dụng tiêu hóa rất tốt. Việc ủ chua thức ăn gia súc cũng dựa trên sự ỉên men ỉactic. Trong quá trình muổì dưa, áp suất thẩm thấu do muối tạo ra sẽ làm cho chất dịch bên trong tế bào rau đi ra ngoài. Vi khuẩn ỉactic có sẵn trong không khí sử dụng dịch tế bào đó để sống, lức đầu cũng có cả những vi khuẩn hoại sinh khác, sau đó do axit lactic sinh ra làm hạ pH, ức chế các vi khuẩn khác. Đến một pH nhất định vi khuẩn ỉactic cũng bị ức chế, lúc đó sẽ xuất hiện váng dưa là một loại nấm men chịu pH thấp. Nấm men này ph&n hủy axit ỉactic thành CƠ2 và H2 O làm cho dưa gỉẳm độ chua, các loại vi khuẩn hoại sinh do pH lên cao lại phát triển trỗ lại ỉàm cho dưa bị khứ. Ngoài các quá trình lên men rượu, lên men lactic nói trên, trong thiên QỈiiên cồn.c6 nhiểu nhóm -vi «ÌHh vật-tiến hành phân giải đường lihò rác 4 uá trình ỉên men khác. Ví dụ như sự lên mén propionic, sản phẩm của quá trình là axit propionic, sự ỉên men íocmic, lên men butúic, ỉên men metan... sàn phẩm của quá trình là axỉt focmic, rượu butủic, khí metan v.v... Các nhóm vi khuỂb trên đều pUùi bố rộiỉg rã ỉ trong đất và tiến hành phân giải đ
1.4 Sự phán gỉái đường nhở các quà trinh oxy hóa Ngoài các quá trình lên men, trong thiên nhiên cồn có các nhóm vỉ sinh vật có khả nãng phân giài đưòng bằng con đưòng oxy hóa. Đó là các nhóm vi sinh vật háo khí cố khả năng phân hủy triệ t để đưòng glucoza thành CO2 và HjO qua chu trìn h Crebs (đọc giáo trình sinh hóa học). Sẳn phẩm của các quá trình háo khí không phải là các chất hữu cơ như ò các quá trìnb ỉố a «oen mà là CO2 và H 2O. Như vậy nhò các nhóm vi sinh vật khác nhau mà đưòng glucoza được sinh ra trong sự phân giải xenluỉoza và tinh bột ỉại được phân giải tiếp tục. Các sản phẩm của quá trìn h phân giải đưòng do lên men cũng được tiếp tục phân giải. V í dụ như TOỢn etylic là sản phẩm của quá trìn h lên men rượu sẽ được nhóm vi khuẩn axetic chuyển hóa thành axit axetic, đó chính là cd chế của quá trình sản xuất dấm ăn v.v... Các hợp chất cacbon hữu cd trong đất được các nhóm vi sinh vật khác nhau phân hủy cuối cùng thành COj và H 2O. COị và H jO lạ i được nhóm vi khuẩn dinh dưdng quang nảng và thực vật đổng hóa thành chất hữu cd, khép kín vòng tuần hoàn cácbon, nếu như không có 8ự hoạt động của các nhóm vỉ sinh vật trong đất thì yộng .tuấn hoàn cacbon không thể khép kín, các chất hữu cơ không được ph&n hủy và lúc đó ta i họa sinh thái sẻ xảy ra dẫn đến 8ự khủng hoảng sinh cẨu, 8ự sếng trên trá i đất sẽ không thể tiếp diễn. l,4J.SụcỐđụihC02 Là quá trình quang hợp của cAy xanh và vỉ sinh vẠt tự dưdng quang năng. Quá trìn h này chuyển hoá CO2 thành chất hữu cơ - sản phẩm của quá trìn h quaxig hợp. 87
Tóm lại, các nhóm vi sinh vật tham gia trong quá trình chuyển hóa các hợp chất cacbon đã góp phần khép kín vòng tuần hoàn vật chất, giữ mõi cân bằng vật chất trong thiên nhiên. Từ đó giữ đước sự cân bằng sinh thái trong các môi trưòng tự nhiên. Sự phân bố rộng rã i của nhóm vi sinh vật chuyển hóa các hợp chất cacbon còn góp phần làm sạch môi tníòng, khi môi trường bị ô nhiễm các hợp chất hữu cơ chứa cacbon. Ngựòi ta sử dụng những nhóm vi sinh vật này trong việc xử ỉý chất thải có chúa các hợp chất cacbon hữu cơ như xenluỉoza, tinh bột v.v... 2. K H Ẩ NẢNG CHUYỂN HÓA CÁC H ộ p CHẤT NITƠ TRONG M Ô I TRƯỜNG T ự N H IÊ N CỦA V I SINH VẬT 2 . 1 ^Vòng tu ầ n hoàn n itơ tro n g tự nh iên Trong các môi trường tự nhiên, nitđ tồn tại ồ các dạng khác nhau, từ nitơ phân tử ò dạng khí cho đến các hợp chất hữu cơ phức tạp có trong cơ thể động, thực vật và con ngưòi. Trong cơ thể sinh vật, nitơ tồn tại chù yếu dưới các dạng các hợp chất đạm hiĩu cờ như protein, axit amỉn. Khi cơ thể sinh vật chết đi, ỉượng nitơ hũu cơ này tồn tại ở trong đất. Dưới tác dụng của các nhóm vi sinh vặt hoại sinh, protein được phân gỉẳi thành các axit amỉn. Cáo axỉt amin ỉạ i được một nhóm vi sinh vật phân gỉẳi thành N H j hoặc gọi ỉà nhóm vi khuẩn amôn hóa. Quá trinh này còn gọi là sự khoáng hóa chất hữu cơ vì qua đó nitơ hữụ.QCỊ 4ược. chuyển, thành- dạng nỉtó- khoáng: -Dạng N ỈÌ 4^' sẽ đưiỢc chuyển hóa thành dạng NO 3' nhò nhóm vi khuẩn n itra t hóa. Các hợp chất n itra t lại được chuyển hóa thành dạng nỉtơ phân tử, quá trìn h này gọi là 8ự phản n ỉtrat hóa được thực hiện bdỉ nhốm vi khuẩn phản n ỉtrat. K hí mtơ sẽ được cố định ỉại trong-tế bào v i khuẩn và tế bào thực vật sau đó chuyển hóa thàiih dạng nitơ hSu cơ nỉiò nhốm vi khuẩn cố định niiỉtở. Như vậy, vòng tuần hoàn nitơ- đíiợe khép kín. Trong hầu hết các 88
khâu chuyển hóa của vòng tuẦn hoàn đều có sự tham gia của các nhóm vi sinh vật khác nhau. Nếu sự hoạt động của một nhóm nào đó ngừng ỉại, toàn bộ sự chuyển hóa của vòng tuần hoàn cũng sẽ bị ảnh hưỏng nghiêm trọng. jChất hữu cd trong đất V i sinh vật A A N. ^ Thite vật — > Động vật — NH/ NO3- 2 .2 . Q uá trìn h am ôn hóa Trong thiên nhiên tồn tạ i nhiều dạng hợp chất nitơ hữu cơ như protein, axit ainin, axit nucleic, urê ... Các hỢp chất này đi vào đất từ nguồn xác động, thực vật, các ioạỉ phân chuồng, phân xanh, rác rưỏi. Thực vật không thể đồng hóa được dạng nitđ hữu cơ phức tạp như trên, nó chỉ có thể sử dụng được sau quá tiin h amôn hóa. Qua quá trìn h amôn hóa, các dạng nitơ hữu cơ được chuyển hóa thành dạng hoặc N H 3. 2.2.1. Sựamôn hóa uri Urê có trong thành phần nưổc tiểu của ngưòi và động vật, chiếm khoảng 3,2% nưóc tiểu, ưrê chứa tối 46,6% nitờ, vì thế nó là một nguồn dinh dưdng đạm xổi đốì với cây trồng. Tuy nhiên, thực vệt không thể đổng hóa trực tiếp Urê mà phải qua quá trình amôn hóa. Quá trìn h amôn hóa Urê chia ra làm 2 giai đoạn, giai đoạn đầu dưới tác dụng của enzym ureaza tiế t ra bồi các vi sinh vật Urê sẽ bị thủy phân tạo thành muổì cacbonat 89
anioQỈ. giai đoạn 2 cacbonat amoni chuyển hóa thành N H 3, CO2 và H ,0 : CO(NHa)í + 2 H2O — > (NH4>,C0s Urê (NH«)2C03-------> 2 N H 3 + CO2 + H 2O Cacbonat amoni ' Trong nưổc tiểu còn có axit uric, tồn tạ i trong đất một thời gian axit uric sẽ bị phân giải thành urê và axỉt tactronic. Sau đó urê sẽ tiếp tục bị phân giải thành N H 3. NH -C O CO C -N H II 0 + 4 H j 0 - > CO(NHj)j + HOOC - CHOH - COOH NH“ C ~ N H ^ axit iưic urê axit tactronic Nhóm vi sinh vật phân giải Urê và axit uríc còn có khả năng amôn hóa cyanamid caiìxi ỉà một ỉoại phân bón hóa học. Chất này sau khi đi vào đất cũng bị chuyển hóa .thành Urê rổị sau đó qua quá trìn h amôn hóa được chuyển thành NHst CN - NCa + 2 H 2O -------> CN - N H 2 + Ca(0 H )2 CN - N H , + H ,0 ____ > C 0(N H j)2 ỉ^ ể u io iii vi khuần có khằ n&ng amốn hto U r 6. cnung aeu tiế t ra enzym ureaza. Trong đó có một số loài có hoạt tín h phân gỉảỉ cao hhư PUmosarcina ureae, Micrococcus ureae, Bacillm amylovtmun, Proteus viilgarU... M ột số loài vỉ khuẩn có khả n&ng amôn hóa Urê. Đ a số vi sinh vật ph&n g iii Urê thuộc nhóm háo khí hoặc kỵ khí không bắt buộc, chứiig ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm . Bỏi vậy kh i sử 90
dụng U rê ỉàm phân bón ngưòi ta thưòng kết hợp vói bón vôi hoặc tro, đồng thòi xdi xáo ỉàm thoáng đất. 2 JJ. Sự amôn hóaproíeitt Protein là thành ^ ầ n quan trọng của tế bào sinh vật, khi động vật, thực vật chết đi, nguồn protein có trong tế bào được tích lũy lạ i trong đất. Protein chứa tới 15 - 17% nitơ, nhttng cầy trổng không thể hấp thu tnỊc tiếp protein mà phải thông qua sự phân hủy của vi sinh vật. Nhóm vi sinh vột phân hủy protein có khả năng tiế t ra enzym proteaza bao gồm pĩX)teinaza và peptidaza. Dưới tác dụng của enzym proteinaza phân tử protein sẽ được phân gỉẳi thành các chuỗi polypeptitvà oligopeptit (oligopeptit ỉà các chuỗi ngắn chỉ gồm 3 - 5.axit amin). Sau đó dưói tốc dụng của en ^m pepti4 aza các pol3rpeptit và oligopeptit sẽ được phân giải thành các axit amin. M ột phần axỉt am ỉn sẽ được tế bào vi sinh vật hấp thu làm chất dinh dưdng. Phần khác sẻ thông qua quá trình khử amin tạo thành NHa và nhiều sản phẩm trung gian khác. Sự khử amin có thể xảy ra theo một trong những phương thúc sau: R - CH(NH2)C00 H R = c h COOH + NHj R - CH(NH2)C00 H + HjO R - CHjOH-COOH + COj + NHs R - CH(NH2)C00H + 1/2 Oj R - c o - COOH + NHs R - CH(NH2)C00H + O2 ^ R - COOH + COj + NH3 R - C H (N H 2)C 0 0 H + H jO -► R - c o - COOH + N H 3 + 2 H R - C H (N H 2)C 0 0 H + 2 H 2O R - COOH + N H * + 4 H R - CH(NH2)C00H + 2 H -►R - CH2 - COOH + NH3 R - C H (N H 2)C 0 0 H + 2 H R - CHs + COj + N H 3 91
+ M ột số axit amỉn bị deanũn hoá bỏi v s v nhò enzym đeaminaza, 1 sế phản ứng, một trong những sản phẩm cuâ cùng là amôn, V í dụ: Aỉam in + A>a-deaminoza ^ Piprevar + N H 3 Đm vói các a ũ t amin có vòng như Tríptophạn, khỉ phân giải sẽ tạo thành các hợp chất có mùi th â như Indon và Scaton. K hỉ phân giải các axit amin chứa s như M etionin, Xi&tỉn, vi sinh vật giải phóng ra H 2S, chất này độc đốì vối cây trồng. Một số hợp chất amin sinh ra trong quá trình amôn hóa có tác dụng độc đốì với người và động vật. V í dụ như histam in, acmatin. .. đó chính là nguyên nhân bị nhiễm độc khi ăn th ịt cá thiu thôi hoặc th ịt hộp để quá lâu (ô nhiễm thực phẩm). Tỷ lệ C: N trong đất rấ t quan trọng đốì vói nhóm vi sinh vật phân hủy protein. Nếu như tỳ lệ này quá cao, trong đất quá ít đạm vi sinh vật sẽ tranh chấp thức ăn đạm đốì với cây trồng, chúng phân hủy được bao nhiêu ỉà hấp thụ hết vào tế bào. Nếu tỷ lệ c : N quá thấp, đạm dư thừa, quá trình phân hủy sẽ chậm lại, cẳy trồng không có đạm khoáng mà hấp thụ. Nhiều công trìn h nghiên cứu đã rú t ra ^ lệ c : N bằng 20 là thích hợp nhất cho quá trin h amôn hóa protein, có lợi nhất đốì vói cây trồng. . liThiều .vi. sinh -vẠt có -khả -năng ■amôn-hóa-pvotein.- Trong nhóm vỉ khuẩn có BacUlus mỳcoidea, BacUlus meaenUricus, B. nubtUia, Paeudọmonas fluorexen3, Clostridium sporogenes... Xạ khuẩn có Streptomycea rimơ8U8, Stretomyces griaeus... V i nấm có AapergUlus oryzae, A. flavus, A. niger, PeniciUum camemberti v.v... Ngoài proteỉn và urê, nhiều loài v i sinh vật có khả nãng am ôn hóa kitỉn là một hợp chất cacbon chúa gđc am in. Kitin là 92
th àn h phần của vỏ nhiều ioại côn trừng, giáp xác. H àng năm k itin được tích lũy lạ i trong đất với một lượng không nhò. Nhóm vi sinh vật phân hủy k itin có khả năng tiết enzym kitinaza và kỉtobiaza phân hủy phân tử k itin thành các gốc đơn phân tử, sau đó gốc amin được amôn hóa tạo thành N H 3. 2.3. Q uá trìn h n itr a t hóa Sau quá trìn h amôn hóa, N H 3 được hình thành một phần được cây trồng hấp thụ, một phần phản úng vối các anion trong đất tạo thành các muôi amôn. M ột phần muối amôn cũng được cây trồng và vỉ sinh vật hấp thụ. Phần còn lạ i được oxy hóa thành dạng n itrat gọi là quá trìn h n itra t hóa. Trưổc kia người ta cho rằng quá trình n itra t hóa ỉà một quá trình hóa 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 n itrat hóa bao gồm hai nhóm tiến hành 2 giai đoạn của quá trình. G iai đoạn oxy hóa N H / thành N O í' gọi là giai đoạn n itrit hoá, giai đoạn oxy hóa NO 2' thành NO 3' gọi là giai đoạn n itrat hóa. 2.3.1. Giai đoạn ntírit hóa Quá trình oxy hóa N H / tạo thành N 02 * được tiến hành bỏi nhóm vi khuẩn n itrít hóa. Chứng thuộc nhóm vi sinh vật tự dưdng hóa năng có khả nàng oxy hốa N H / bằng oxy không kh í và tạo ra náng lượng: ỵn ; + 3/2 O2 ----> NOj- + H2 O + 2 H + Năng lượng Năng iượng này dùng để đồng hoá CO2 - > Cacbon hữu cơ. Enzym xúc tác cho quá trìn h này là các enzym của qiiá trình hô hấp háo khí. Nhóm vi khuẩn n itrít hóa bao gồm 4 chi khác nhau; Nitrozomonas, NitrozocystÌ8, Nitroxolobus và Nỉtrosospira chúng đều thuộc loại tự dưdng bắt buộc, không có 93
khả năng sống trên môi trường thạch. Bởi vậy phân lập chúng rất khố, phải dùng silỉcagen thay cho thạch. 2 JJ. Gùù đoạn nitrat hóa Quá trìn h oxy hóa NO 2' thành NOa' được thực hiện bởi nhóm vỉ khuẩn nitrat. Chúng cũng ỉà những vi sinh vật tự dưdng hóa năng có khả năng oxy hóa NO 2' tạo thành năng lượng. Nảng lượng này được dùng để đồng hóa CO2 tạo thành đưòng. N 02 * + 1/2 O 2 -----------> NOs’ + Nàng lượng Nhóm vi khuẩn tiến hành oxy hóa N 02 * thành N 03 ' bao gồm 3 chi khác nhau: Nitrobacter, Nitrospừa và Nitrococcus. Ngoài nhóm vi khuẩn tự dưõng hóa năng nói trên, trong đất còn có 1 số loài vi sinh vật dị dưdng cũng tiến hành quá trình n itrat hóa. Đó là các loài vi khuẩn và xạ khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Corynebacterium, Streptomyces... . Quá trình n itrat hóa là một khâu quan trọng trong vòng tuần hoàn nỉtđ, nhưng đối vói nông nghiệp nó có nhiều điều bất ỉợi: Dạng đạm n itrat thưòng dễ bị rửa trôi xuống các tầng sáu, dễ bị đi vào quá trình phản n ỉtra t hóa tạo th àn h khí nitd iàm cho đất mất đạm. Ânion NO 3' thưòng kết hợp với ion trong đất tạo thành HNO3 ỉàm cho pH đất giảm xuống rấ t bất lợi đối vói cây trồng. Hơn nữa, ỉượng NO 3 dư thừa trong đất được cây trồng hấp thu nhiều làm cho hàm ỉượng n ìtra t trong sản phẩm ỉữớhg thực, thực phẩm cào gây độc cho ngưòi. vậy ngày nay ngưòi ta thưòng hạn chế việc bón phân đạm hóa học có gốc n itrat. 2A. Quá trinh phản nitrat hóa Các h«n>
còn gọi là quá trìn h amôn hóa n itrat. Có thể phân biệt hai quá trinh trên qua sơ đổ sau: Quá trình amôn hoá n itra t do 1 sô' vi khuẩn dị dưdng tiến hành trong điều kiện hiếu khí có chức năng cung cấp N H 4'" cho tế bào vi khuẩn để tổng hợp axit amin. Amôn hoá N itra t NHjOH -------> NH3 Hydroxylamin N 2O ------- ^ N2 Perox)rt Nitđ Phản N itra t hoá Phản ứng khử NO 3 ----------> N 2 chỉ xảy ra trong điều kiện kỵ khí. NOs' là chất nhận diện tử cuối cùng trong chuỗi hô hấp kỵ khí, năng lượng tạo ra được dùng để tổng hỢp nên ATP. Nhóm vi sinh vật thực hiện quá txình phẳn n itrat hóa phân bấ rộng rã i trong đất. Thuộc nhóm tự dưdng hóa năng có Thibacillus denitriỷìcans, Hydrogenomonas agilis... Thuộc nhóm dị dưỡng có Pseudomonas denitrifìcans, Micrococcus denitriỷĩcanas, Bacillus licheniformis... sấng trong điều kiện kỵ khí (đất ngập nưỏc). Đốì với nông nghiệp quá trình phẳn n itra t hóa là một quá trình bất lợi vì nó làm cho đất mất đặito. Qtìá ttình riàý xảỳ ra mạnh trong điều kiện kỵ khí. Oxy có tác dụng ức chế các enzym xúc tác cho quá trinh khử n itrat, đó là các enzym n itrat reductaza và nitrit reductaza. ở các ruộng lứa nưóc ngưdi ta thưòng làm cỏ xục bùn để hạn chế quá trình này, đồng thời bổn đạm amôn chứ không bón đạm n itrat. Trong các môi trưòng tự nhiên ngoài quá trình phản n itrat sinh học nói trên còn có quá trình phản n itrat hóa học thưòng 95
xảy ra ò pH < 5,5. Các quá trìn h này không có sự tham gia của vi sinh vẠt: N H 4CI + H NO ị— > N , + H C l + H 2O R -N H 2 + HNO 2— > N 2 + R -O H + H 2O R - C H (N H 2)C 0 0 H + HNO 2 R - CHOHCX)OH + + H 2O R - CO - NH2 + HNO2 - > R - COOH + N2 + H2O 2.5. Quá trinh cấ định nỉtơ phân tử Khí nitờ chiếm khoảng 76% bầu không khí bao quanh chúng ta, trên mỗi hecta đất trọng lượng của nó nặng tói 80.000 tấn. Khí nitđ thường xuyên được hình thành và bổ' sung vào không khí do quá trình phản n itra t hóa. Con người, động vật, thực vật đều cần đạm, song sống giữa bầu không khí mênh mông đạm như vậy tuyệt đại đa 8ấ sinh vật đều không sử dụng trực tiếp khí nitd. Chỉ có nhóm vi sinh vật cố định nỉtơ là có khà năng này. Hàng năm nhu cầu của cây trổng trên toàn thế giới đôl vdi nitơ là hàng trăm triệu tấn. Tuy nhiên, phân bón hóa học chỉ đáp ứng được khoảng 30%. Lượng còn lạ i là do quá trìn h cố định nỉtd phân tử cung cấp. 2.5.1.Cơ c h í cửa quá ừình CÃđịnh mtơphán tử Nitđ phÂn tử được cấu tạo từ 2 nguyên tử nitớ nối vói nhau bằng 3 d&y n â N X N. Để phá vd được 3 dấy aứ này bằng phưdng pháp hóa học cần phải tiến hành ò nhiệt độ và áp suất rất-eao.-Ví dụ như muốn-tạo-thành láan ain it canud lầ' một loại phân đạm hóa học ngưòi ta phải tiến hành phản ứng giũa nitờ pỉi&ti tử và cacbit canxi ỗ nhiệt độ 1000 - 1100 *C: 100 (fC CaC2 + N 2 --------- -^ CaCNj + c Nếu muấn ỉỉên kết nitd với ^ydit) đếtạo thành amoniac th ì phẫn ứng phẳỉ được tỉấn hành ở nhiệt độ 600*c và áp suất lOOOat với những chất xức tác đắt tỉền^ Trong khi đó nhóm vi 96