i
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3
2.1 Giới thiệu về Nitrosomonas sp. 3
2.1.1 Phân lập, duy trì và nuôi cấy 3
2.1.2 Đặc điểm về giống 4
2.1.3 Nitrosomonas europaea 7
2.1.4 Nitrosomonas eutropha 8
2.1.5 Nitrosomonas marina 9
2.1.6 Nitrosomonas mobilis 10
2.2 Giới thiệu về Nitrobacter sp. 11
2.2.1 Nitrobacter winogradsky 11
2.2.2 Nitrobacter alkalicus 12
2.2.3 Nitrobacter hamburgensis 14
2.2.4 Nitrobacter vulgaris 15
2.3 Quá trình nitrate hoá 15
2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrate hoá 25
2.3.3 Khả năng bám dính 27
2.4 Thu sinh khối Nitrosomonas europaea theo mẻ (batch) và liên tục 28
2.4.1 Bố trí thí nghiệm 29
2.4.2 Kết quả thí nghiệm 30
2.5 Giới thiệu về Acetobacter xylinum và màng bacterial cellulose 34
2.5.1 Sơ lược vi khuẩn Acetobacter xylinum 35
2.5.2 Các đặc điểm cấu trúc của BC 36
2.5.3 Vai trò của bacterial cellulose đối với Acetobacter xylinum 37
2.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men tạo BC 38
2.5.5 Các ứng dụng của bacterial cellulose 39
2.6 Nghiên cứu về hệ vi khuẩn nitrate hoá và ứng dụng 40
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU TÌNH HUỐNG 43
3.1 Qui trình thực hiện 43
[11] 16 iii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Hình thái tế bào Nitrosomonas dưới kính hiển vi quang học [7] 5
Hình 2. Hình thái tế bào Nitrosomonas dưới kính hiển vi điện tử cho thấy có sự khác nhau về hình dạng
và kích thước tế bào giữa các loài trong cùng giống Nitrosomonas. IM là màng bao tế bào chất
Hình 27. Sự tạo thành nitrite trong quá trình sinh trưởng của N. europaea trên môi trường được cấy 4%
dịch giống và hàm lượng ammonia ban đầu là 7,8 mM [12] 28
Hình 28. Thiết bị fermenter dùng nuôi cấy theo mẻ và liên tục để xác định các yếu tố sinh trưởng tối ưu
cho Nitrosomonas [14] 30
Hình 29. Tác động của sắt đến sự phát triển của Nitrosomonas trong nuôi cấy theo mẻ. (A): đường cong
sinh trưởng ở mẫu đối chứng, không có sắt. (B): đường cong sinh trưởng ở mẫu thí nghiệm có hàm lượng
sắt là 0,5ppm [14] 32
Hình 30. Sự sinh trưởng của Nitrosomonas trong chế độ nuôi cấy liên tục. Đường cong phía trên là mật
độ tế bào theo thời gian, đường cong phía dưới là hàm lượng (NH
4
)
2
SO
4
[14] 33
Hình 31. Cấu trúc BC ở một số loài vi khuẩn 34
iv
Hình 32. BC được tạo từ môi trường tĩnh (a) và môi trường lắc (b) 37
Hình 33. (a) hệ vi sợi ở BC và (b) ở thực vật, độ phóng đại x5000 [5] 40
Hình 34. Hình chụp dươi kính hiển vi điện tử những mẫu gỗ A. altissima đã được loại lignin. A và B: kích
thước mẫu 300-500µm. C và D: kích thước mẫu 500-710µm [10] 41
Hình 35. Chế phẩm sau khi cố định, kích thước 300-1500µm. Thời gian cố định lần lượt là A: 6h, B: 12h,
C: 24h và D: 72h [10] 42
Hình 36. Thiết bị cố định dạng khuấy đảo, dung tích 50L. Sau 4 ngày cố định, khả năng nitrate hoá của
chế phẩm đạt cao nhất [10] 42
Hình 37. Đồ thị thể hiện hoạt lực nitrate hoá của chế phẩm theo thời gian. Tiến hành thí nghiệm lặp lại 3
lần [10] 42
Hình 38. Quan sát tế bào Acetobacter xylinum dưới kính hiển vi để kiểm tra các đặc điểm vi thể 44
Hình 39. Khuẩn lạc Acetobacter xylinum 44
Hình 40. Sau khi đảm bảo chắc chắn giống đang có là Acetobacter xylium thì từ ống giống gốc (A) ta cấy
1
CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU
Trước tình hình biến đổi khí hậu diễn ra ngày một gay gắt như hiện nay, việc hướng
đến những quy trình chăn nuôi, trồng trọt theo hướng sinh thái, thân thiện với môi trường là
một đòi hỏi nóng bỏng của xã hội, đặc biệt là ở Việt Nam, khi mà nông nghiệp vừa là truyền
thống lâu đời vừa là đòn bẩy kinh tế đưa cả nước thoát nghèo và thoát khủng hoảng như lịch
sử đã minh chứng. Thời điểm tháng 4/2010, các tỉnh khu vực ven biển và đồng bằng sông
Cửu Long đang gánh chịu sự hạn hán, nhiễm mặn nghiêm trọng gây nguy hại đến an ninh
lương thực của cả nước và trên thế giới. Bài toán cho một nền nông nghiệp bền vững hiện
đang đặt ra cho các nhà khoa học, nhà quản lý ở Việt Nam phải giải quyết nhanh, mạnh và kịp
thời, nếu không những hệ luỵ tiếp theo từ sự suy giảm nông nghiệp sẽ rất khó lường.
“Con tôm ôm cây lúa” hiện là mô hình nông nghiệp sinh thái được đánh giá cao về
hiệu quả kinh tế lẫn tác động tích cực lên môi trường, khi luân canh giữa vụ tôm và vụ lúa thì
các chất dinh dưỡng trong vụ tôm sẽ được lúa hấp thụ và do đó giảm bớt nhiều chi phí hoá
chất bón phân. Ngoài ra, nuôi tôm thịt trong điều kiện quảng canh như vậy sẽ hạn chế dịch
bệnh, đảm bảo tôm phát triển bình thường và tận dụng tốt nguồn nước đang bị xâm mặn như
hiện nay.
Bên cạnh mô hình nông nghiệp sinh thái nuôi trồng quảng canh, thì mô hình nuôi tôm
công nghiệp với mật độ cao ở nước ta vẫn là nguồn cung cấp chính cho xuất khẩu. Thái Lan
là nước có lượng tôm xuất khẩu lớn nhất thế giới, sản lượng lên đến 250.000 tấn/năm, theo
sau đó là các nước trong khu vực Đông Nam Á với hệ thống nuôi tôm công nghiệp quy mô
lớn, dẫn đến 80% lượng tôm trên thế giới được sản xuất từ khu vực này. Để đáp ứng nhu cầu
về con giống, các trang trại nhân giống tôm đã áp dụng hình thức nuôi với mật độ rất dày đặc
cả tôm giống lẫn lượng thức ăn, vì nuôi trong những bể cô lập (trung bình thể tích 4 m
3
) nên
thức ăn thừa tồn đọng trong bể là rất lớn, khi đó lượng thức ăn này bị phân huỷ ra các hợp
chất thứ cấp và cuối cùng về ammonia do các nhóm vi khuẩn amon hoá thực hiện, chính
lượng ammonia này sẽ gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng tôm giống về sau [13].
ứng dụng đối với những hộ nuôi tôm có quy vừa và nhỏ vốn là thành phần chủ lực trong sản
xuất tôm giống ở những nước Đông Nam Á.
1. Phương pháp dòng chảy qua lớp đệm
[17] 2. Phương pháp dòng chảy chìm [17]
Giải pháp sử dụng trực tiếp chế phẩm vi sinh để xử lý ammonia hiện đang được ứng
dụng nhằm khắc phục nhược điểm của phương pháp vật liệu đệm. 2 hệ vi khuẩn được sử dụng
trong chế phẩm vi sinh thuộc nhóm hoá tự dưỡng, Nitrosomonas sp. và Nitrobacter sp., đây là
những chủng có tốc độ sinh trưởng chậm, thường có sẵn trong nước nuôi tôm nhưng vì việc
thay nước thường xuyên đã làm rửa trôi hệ vi khuẩn có lợi này, kết quả là hoạt lực nitrate hoá
tự nhiên trong bể nuôi tôm bị giảm đáng kể. Các chế phẩm thương mại thì hiện trên thị trường
rất nhiều nhưng hiệu quả thật sự thì vẫn chưa rõ ràng bởi các nhà sản xuất thường nói quá
hiệu quả của chế phẩm. Các nguyên nhân dẫn đến sự kém hiệu quả khi sử dụng chế phẩm vi
sinh tự do này (dạng lỏng, dạng bột) là chúng có khả năng thích nghi kém với môi trường
nước nuôi tôm từng địa phương, khu vực, sự cạnh tranh cơ chất với chủng vi sinh vật nội tại
trong bể nuôi tôm. Trở ngại lớn nhất là việc duy trì mật độ tế bào vi khuẩn nitrate hoá phải ở
mức cao thì mới có khả năng phân giải ammonia một cách rõ ràng, điều này rất khó đảm bảo
khi vi khuẩn nitrate hoá cũng bị rửa trôi trong quá trình thay nước.
Chính vì thế, mục tiêu nghiên cứu của tôi là kết hợp giữa 2 phương pháp trên lại với
nhau, làm thế nào tạo ra một chế phẩm có khả năng nitrate hoá vừa rẻ tiền, thích hợp cho các
hộ nuôi trồng vừa và nhỏ, tiết kiệm chi phí đầu tư, bảo dưỡng trang thiết bị, vừa có hoạt lực
nitrate hoá cao, hệ vi sinh vật ít bị rửa trôi và giảm tỉ lệ thay nước thường xuyên. Chất mang
BC (bacterial cellulose) có thể là một giải pháp trọn vẹn cho các tiêu chí trên.
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
loãng theo nhiều tỉ lệ khác nhau vào các ống nghiệm chứa môi trường nuôi cấy thích hợp nhất
cho vi khuẩn nitrite hoá phát triển; phương pháp trãi đĩa petri từ mẫu ban đầu. Cần lưu ý là vi
khuẩn nitrite hoá phát triển cực kì chậm, nên đối với phương pháp MPN thì có thể xác định
mẫu có chứa tế bào vi khuẩn sau 2-3 tuần nuôi cấy (dựa trên sự thay đổi màu sắc cho chất chỉ
thị pH gây ra), phương pháp trãi đĩa thì cần chờ đến 6-8 tuần mới thu được khuẩn lạc.
Các môi trường chuẩn để nhân giống được liệt kê bên dưới, đối với môi trường giữ
giống, thì CaCO
3
(5 g/l) hoặc N-2-hydroxyethyl-piperarine-N’-2’ethanesulfonic acid
(HEPES, 4,77 g/l) được dùng như một chất đệm pH. Khi nuôi cấy, thì pH luôn được chỉnh
bằng NaHCO
3
10%. Giá trị pH tối ưu phụ thuộc vào nồng độ các muối ammonium thêm vào.
10 mM muối ammonium thêm vào ở pH 8.0 được xem là tạo điều kiện rất tốt cho quá trình
phát triển của vi khuẩn. Nếu nuôi cấy ở thể tích lớn thì cần phải khuấy hoặc sục oxy vào.
Nhiệt độ 30
0
là thích hợp với quá trình phát triển của vi khuẩn. Thời gian cấy chuyền trong
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4
khoảng 3-4 tháng, có thể trữ vi khuẩn nitrite hoá ở dạng dịch lỏng chứ không nhất thiết ở
dạng thạch nghiêng. Việc lưu trữ bằng phương pháp lạnh sâu về cơ bản tỏ ra không thành
công.
Bảng 1. Các môi trường khác nhau dùng nuôi cấy vi khuẩn nitrite hoá. Môi trường 1, 2 và 3
đề xuất tương ứng bởi Soriano và Walker (1968), Watson (1971) và Krinmel và Harms (1982)
đối với vi khuẩn phân lập từ đất, môi trường 4 đề xuất bởi Watson (1965) đối với vi khuẩn
phân lập từ biển và môi trường 5 đề xuất bởi Koops và cộng sự (1976) đối với vi khuẩn phân
500
(NH
4
)
2
SO
4
(mg)
500
130
MgSO
4
.7H
2
O (mg)
40
200
49,3
200
CaCl
2
.2H
2
O (mg)
40
20
584 Chelated iron FeNaEDTA (mg)
1
1
FeSO
4
.7H
2
O (μg) 973,1 Fe-EDTA (mg)
0,5
Na
2
MoO
200
2
MnSO
4
.4H
2
O (μg) 44,6 CoCl
2
.6H
2
O (μg)
2
2
CuSO
4
.5H
2
O (μg)
Cresol red 0,5% (ml) 1
1
2.1.2 Đặc điểm về giống
Việc phân loại vi khuẩn này về cơ bản dựa vào hình dáng của tế bào, sau đó là sự sắp
xếp của màng bao tế bào chất (intracytoplasmic membrane). Với các tiêu chí này, người ta đã
phân loại vi khuẩn nitrite hoá thành 5 giống chính là Nitrosomonas, Nitrosococcus,
Nitrosospira, Nitrosolobus và Nitrosovibrio. Trong đó, hiện có 16 loài vi khuẩn đã được phân
biệt dựa trên tỉ lệ G+C trong DNA, hoạt động của carboxysome, hoạt tính urease, tốc độ
chuyển hoá NH
3
, nồng độ tới hạn ammonia trong môi trường, yêu cầu về độ mặn và nồng độ
muối tới hạn.
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5
Bảng 2. Các đặc điểm phân loại giống vi khuẩn nitrite hoá [7]
Đặc điểm
Nitrosococcus
Nitrosolobus
Nitrosomonas
Nitrosospira
Nitrosovibrio
Hình dạng
Có lỗ xuất
hiện rải rác
Gấp cuộn vào
bên trong
Gấp cuộn vào
bên trong
Giống Nitrosomonas (Winogradsky, 1982): tế bào về cơ bản là hình que, màng bao tế
bào chất có các lỗ nằm rải rác, đôi khi lớp màng này gấp cuộn vào bên trong tế bào
chất.
Hình 3. Hình thái tế bào Nitrosomonas dưới kính hiển vi quang học [7]
Hình 4. Hình thái tế bào Nitrosomonas dưới kính hiển vi điện tử cho thấy có sự khác nhau về
hình dạng và kích thước tế bào giữa các loài trong cùng giống Nitrosomonas. IM là màng bao
tế bào chất (intracytoplasmic membrane), C là carboxysome [7]
Giống Nitrosospira (Winogradsky, 1933): tế bào là dạng que xoắn, đôi khi có dạng
dấu phẩy. Không quan sát thấy màng bao tế bào chất.
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 6 Hình 5. Cấu trúc tế bào thuộc giống Nitrosospira [7]
Giống Nitrosovibrio (Harms và cộng sự, 1976): tế bào dạng dấu phẩy. Không quan sát
thấy màng bao tế bào chất. Màng trong tế bào gấp cuộn vào bên trong tế bào chất đã
được ghi nhận.
Hình 6. Cấu trúc tế bào thuộc giống Nitrosovibrio [7]
hệ thống xử lý rác, nguồn nước bị phú dưỡng hoá và thỉnh thoảng tồn tại trong đất [4].
Tỉ lệ mol% G + C trong DNA là 50,6-51,4. Dòng điển hình: ATCC 25978. GenBank
accesion number (16S rRNA): M96399.
Hình 9. Quan sát tế bào Nitrosomonas europaea dưới kính hiển vi quang học. Bar = 5 μm [4]
Hình 10. Quan sát tế bào Nitrosomonas europaea dưới kính hiển vi điện tử. Bar = 1 μm [4]
2.1.4 Nitrosomonas eutropha
Vi khuẩn này có tên eutropha có nghĩa là sống ở nơi có hàm lượng dinh dưỡng cao, có
nhiều hình dạng từ hình que đến hình trái lê, kích thước 1,0-1,3 x 1,6-2,3 μm, thỉnh thoảng kết
thành chuỗi ngắn. Cấu trúc thành tế bào Gram âm. Hầu hết các dòng đều có thể di động được.
Carboxysome nằm trong tế bào chất. Tế bào không có hoạt tính urease. Ở pH 7,8 thì khả năng
chịu nồng độ muối ammonium lên đến 600 mM và hằng số Ks oxi hoá NH
3
là 35-36 μM.
Không đòi hỏi phải có muối trong môi trường, nhưng tế bào vẫn sống được khi nồng độ NaCl
lên đến 500 mM. Rất thường thấy ở số lượng nhiều trong các cống rãnh, nguồn nước phú
dưỡng và thỉnh thoảng ở trong đất [4].
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 9
Tỉ lệ mol% G + C trong DNA là 47,9-48,5. Dòng điển hình: C-91, Nm 57. GenBank
accesion number (16S rRNA): AJ298739, AY 23795, M96402.
Hình 11. Quan sát tế bào Nitrosomonas eutropha dưới kính hiển vi điện tử. Bar = 1 μm [4]
2.1.5 Nitrosomonas marina
Vi khuẩn này có tên marina vì thường gặp ở biển. Tế bào dạng que dài, ở 2 đầu có
dạng hình tròn, kích thước 0,7-0,9 x 1,4-2,3 μm. Cấu tạo thành tế bào Gram âm, có thêm một
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 11 Hình 15. Cấu trúc tế bào Nitrosomonas mobilis dưới kính hiển vi điện tử. Bar = 1 μm [4]
2.2 Giới thiệu về Nitrobacter sp.
2.2.1 Nitrobacter winogradsky
Tên dòng vi khuẩn này được đặt theo tên nhà sinh vật học Winogradsky là người đầu
tiên phân lập được nó. Vi khuẩn có dạng que ngắn, hình quả lê, thỉnh thoảng có dạng cầu,
kích thước 0,6-0,8 x 1,0-2,0 μm. Carboxysome thường xuất hiện ở dạng thể vùi trong nguyên
sinh chất. Tế bào có thể di động nhờ tiên mao ở gần cực và bên hông. Nhiều dòng vi khuẩn
nitrite hoá này là loại hoá tự dưỡng không bắt buộc. Khi nuôi trên môi trường có nhiều loại
dinh dưỡng, vi khuẩn nitrite hoá sẽ ưu tiên dùng nitrite trước, sau đó mới oxi hoá các hợp chất
hữu cơ còn lại. Vi khuẩn cũng có thể sử dụng pyruvate, acetate và glycerol như nguồn sinh
năng lượng, cùng với dịch chiết nấm men, casamino acid, peptone, NH
3
và nitrate như nguồn
cung cấp nitơ. Dưới điều kiện môi trường gồm các chất khoáng vô cơ hay môi trường hỗn
hợp nhiều loại dinh dưỡng, thời gian thế hệ dao động từ 8 đến 14 giờ. Trong khi ở môi trường
giàu chất hữu cơ thì vi khuẩn phát triển chậm nên thời gian thế hệ từ 70 đến 100 giờ. Vi
khuẩn có khả năng sống trong điều kiện kị khí với nitrate là chất nhận điện tử và tạo ra các
dạng nitrite, nitric oxide (NO), nitrous oxide (N
2
O). Tế bào ít nhạy cảm với oxy khi được
chuyển từ điều kiện kị khí sang điều kiện hiếu khí. NO có thể là nguồn cơ chất thay thế nitrite
cho vi khuẩn oxi hoá trong điều kiện hiếu khí thành nitrate. Những dòng vi khuẩn điển hình
chủ yếu được phân lập từ đất. Ngoài ra, vi khuẩn này còn phân bố ở nước ngọt, biển, cống
rãnh, hệ thống xử lý nước thải và phân bón. [4]
13 Hình 18. Tiên mao (F) ở Nitrobacter alkalicus dưới kính hiển vi. Bar = 1 μm [15]
Hình 19. Cấu trúc tế bào Nitrobacter alkalicus dưới kính hiển vi điện tử. Lớp vỏ bao bên
ngoài (S) được cấu tạo gồm nhiều tiểu đơn vị protein ghép với nhau. Bar = 1 μm [15]
Hình 20. Cấu trúc lớp vỏ bên ngoài tế bào vi khuẩn Nitrobacter alkalicus. Bar = 0,5 μm [15]
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 14 Hình 21. Các bào quan ở Nitrobacter alkalicus (M) màng intracytoplasmic, (P) polyphosphate
và (H) hạt polyhydroxybutyrate. Bar = 1 μm [15]
2.2.3 Nitrobacter hamburgensis
Vi khuẩn được phân lập đầu tiên ở thành phố Hamburg, Đức, và để tưởng nhớ sự kiện
đó người ta đã đặt tên thành phố cho dòng vi khuẩn này. Hình thái và cấu trúc tế bào tương tự
như các dòng vi khuẩn nitrite hoá khác. Carboxysome hiện diện ở tế bào chất. Khả năng di
động nhờ tiên mao ở đuôi và bên hông. Phát triển kém trên môi trường khoáng vô cơ nhưng
lại có khả năng phát triển tốt ở môi trường hỗn hợp. Khi môi trường có nitrite, pyruvate, dịch
chiết nấm men và peptone thì tốc độ sinh trưởng đạt cao nhất. Đây là dòng duy nhất có thể
phát triển tốt trong môi trường có chất hữu cơ. Cả nirtite và chất hữu cơ đều được sử dụng
trong quá trình biến dưỡng của tế bào. Tế bào còn có thể khử nitrate để phục vụ quá trình sinh
trưởng. Vi khuẩn khá nhạy cảm với oxy khi chuyển từ điều kiện kị khí sang hiếu khí. Dòng vi
khuẩn này được phân lập từ đất ở Hamburg (Đức), Yucatan (Mexico) và Corse (Pháp). [4]
Tỉ lệ mol% G + C trong DNA là 61,6. Dòng điển hình là X 14. GenBank accesion
Các loại vi khuẩn hoá năng vô cơ (chemolithotrophic) thường là loại tự dưỡng, đều sử
dụng chu trình Calvin để cố định CO
2
như nguồn carbon duy nhất. Ở vi khuẩn nitrate hoá,
được xếp vào loại hoá tự dưỡng (chemoautotrophic) sẽ sử dụng năng lượng thu được từ quá
trình oxi hoá ammonia hay nitrite để phục vụ cho việc khử CO
2
thành carbohydrate. Khi một
phân tử CO
2
đi vào chu trình Calvin, nó cần đến 3 phân tử ATP và 2 phân tử NADPH. Điều
khó khăn là năng lượng thu từ quá trình oxi hoá các phân tử vô cơ (nói chung) của vi khuẩn
nitrate hoá lại nhỏ hơn rất nhiều so với việc oxi hoá hoàn toàn glucose ở loại vi khuẩn thông
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 16
thường. Tỉ lệ P/O trong quá trình oxi hoá phosphoryl hoá ở vi khuẩn nitrate hoá thường bằng
1, chính vì tỉ lệ quá thấp như vậy, nên vi khuẩn nitrate hoá nói riêng và các loại vi khuẩn hoá
năng vô cơ khác nói chung, cần oxi hoá một lượng lớn các hợp chất vô cơ để sinh trưởng và
sinh sản, điều này nói lên tác động của hệ vi khuẩn này đối với môi trường rất sâu sắc.
Bảng 3. Năng lượng thu được từ quá trình oxi hoá các hợp chất vô cơ so với từ glucose (-686
kcal/mol) [11]
Phản ứng
ΔG
o
’ (kcal/mol)
H
2
S
0
+ 1½ O
2
+ H
2
O H
2
SO
4
-118,5
S
2
O
3
2-
+ 2O
2
+ H
2
O 2SO
4
2-
+ 2H
+
-223,7
2Fe
2+
qua phức ATPase vào trong cytoplasm (nguyên sinh chất) giúp tái tạo ADP thành ATP. Con
đường phụ (diễn ra ở Nitrobacter sp., trong khi ở Nitrosomonas sp. thì không hiện diện) để
tạo ATP là thông qua hoạt động của chất khử NADH và hoạt động của phức vận chuyển điện
tử trên màng, giúp tổng hợp ATP.
Quá trình tổng hợp NADH thì khó khăn hơn nhiều và hiện chưa được lý giải rõ hoàn
toàn, vì nó liên quan đến quá trình vận chuyển electron theo chiều ngược lại (reverse electron
transport – RET). Lý do chính vì những phân tử như ammonia, nitrite thì có thế khử cao (E’
0
NO
3
-
/NO
2
-
= 0,421 V) hơn so với NAD
+
(E’
0
NAD
+
/NADH = -0,32) nên VI KHUẨN nitrate
hoá không thể cung cấp electron trực tiếp từ quá trình oxi hoá ammonia và nitrite để tổng hợp
nên NAD(P)H qua hệ enzyme NADH-oxidoreductase. Bởi vì electron chỉ có thể di chuyển từ
chất cho (donor) có thế khử thấp hơn đến chất nhận (acceptor) có thế khử cao hơn. Để giải
quyết khó khăn này, vi khuẩn nitrate hoá đã sử dụng lực đẩy proton (proton motive force –
PMF) để đảo lại chiều di chuyển electron, qua các chất vận chuyển điện tử, nhằm khử NAD
+
về NADH. Ngoài ra PMF còn dùng cho sự chuyển động của tiên mao, các hoạt động trao đổi
) và giai đoạn nitrate hoá (nitration) từ nitrite thành nitrate (NO
3
-
).
Chuyển NH
4
+
thành NO
2
-
Nhóm vi khuẩn chuyển ammonium thành nitrite là Nitrosomonas (N. europaea, N.
aligocarbogenes) oxi NH
4
+
thành NO
2
-
qua sản phẩm trung gian là hydroxylamine
(NH
2
OH)
2NH
4
+
+ O
2
2NH
2
OH + 2H
NO
2
-
+ 0,5O
2
NO
3
-
+ 73 kJ Hình 25. Hai giai đoạn của quá trình nitrate hoá
Trước khi đi sâu vào các quá trình xảy ra trên màng tế bào chất của vi khuẩn nitrate
hoá, cần điểm lại kiến thức liên quan đến các hợp chất nitơ, các phức vận chuyển điện tử.
2.3.1.1
-3). Ammonia NH
3
ammonium NH
4
+
-
. Nitrite
NO
2
-
+5.
Sự tồn tại của ammoni trong nước được phân thành 2 loại: NH
3
(khí hoà tan) và NH
4
,
2
-
:
2.3.1.2 M liên quan
o Cytochrome
-
2+
hay Fe
3+
-
550nm.
Cy . 26 .
o Periplasm space
(-)
vi
khuẩn - vi khuẩn
(peptidoglyca
(x
-
.
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 20
OH và H
2
O) và hydroxylamine oxidoreductase (oxi hoá NH
2
OH thành NO
2
-
). Trong tế
bào vi khuẩn nitrite hoá, cơ chế chung như sau: đầu tiên, enzyme ammonia monooxygenase
xúc tác chuyển NH
3
ngoài môi trường thành NH
2
OH theo phản ứng:
NH
3
+ O
2
+ 2e
-
+ 2H
+
NH
2
OH + H
2
O + 0,7 kcal/mol
(1)
(1)
2 2
- +
(OH)
2
a
ion H
+
.
Ở phản ứng (1)
3
NH
2
(2)
2
O
2
, H
+ -
NH
2
OH + H
2
O NO
2
-
+ H
+
+ 4[H
-
]
Như vậy, phản ứng chung của quá trình nitrite hoá như sau:
NH
3
+ 1,5O
2
NO
2
-
+ H
+
+ H
2
O + 84 kcal/mol
Điều cần lưu ý là trong quá trình nitrite hoá, cơ chất của ammonia monooxygenase là
NH
3
chứ không phải NH
4
+
, vì vậy quá trình nitrite hoá diễn ra mạnh nhất ở pH trung tính hoặc
Copyright: Tài liệu đại học ©