Khả năng chuyển hoá vật chất của vi sinh vật trong các môi trường tự nhiên - Phần 2: Chuyển hoá các hợp chất nito

KHẢ NĂNG CHUYỂN HOÁ CÁC HỢP CHẤT NITƠ TRONG MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN CỦA VI SINH VẬT

Phần 1: Khả năng chuyển hoá vật chất của vi sinh vật trong các môi trường tự nhiên - Chuyển hoá các hợp chất cacbon

1. Vòng tuần hoàn nitơ trong tự nhiên

Nitrogen cycle chu trình nitơ sự tuần hoàn của nitơ giữa các sinh vật và môi trường. Nitơ dạng khí trong khí quyển chỉ được sử dụng trực tiếp bởi một số vi sinh vật (clostridium) và một số tảo lam (nostoc). Chúng biến đổi nitơ thành dạng amon, nitrit và nitrat, những chất này sau đó được giải phóng vào đất bởi các quá trình bài tiết và phân giải. Có một cách khác để nitơ khí quyền được cố định là nhờ các tia lửa điện của sấm sét.

Phần lớn thực vật chỉ có thể sử dụng nitơ dưới dạng nitrat, trừ một số thực vật cộng sinh với vi khuẩn nốt sần Rhizobium hoặc các sinh vật khác tạo nốt sần của rễ. Khi thực vật và động vật chất thì nitơ hữu cơ trong chúng biến đổi trở lại thành dạng nitrat trong quá trình gọi là nitrat hoá. Một phần nitrat này được thực vật hấp thụ, còn một phần bị mất do quá trình khử nitrit và quá tình rửa trôi. Sự tăng cường sử dụng phân bón trong nông nghiệp (nitrat amon) hiện nay trở thành một nhân tố quan trọng trong chu trình nitơ .x.nitrogen fixation.

2. Vai trò của vi sinh vật trong vòng tuần hoàn Nitơ

Trong các môi trường tự nhiên, nitơ tồn tại ở các dạng khác nhau, từ nitơ phân tử ở dạng khí cho đến các hợp chất hữu cơ phức tạp có trong cơ thể động, thực vật và con người. Trong cơ thể sinh vật, nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất đạm hữu cơ như protein, axit amin. Khi cơ thể sinh vật chết đi, lượng nitơ hữu cơ này tồn tại ở trong đất. Dưới tác dụng của các nhóm vi sinh vật hoại sinh, protein được phân giải thành các axit amin. Các axit amin lại được một nhóm vi sinh vật phân giải thành NH₃ hoặc NH₄⁺ gọi là nhóm vi khuẩn amôn hoá. Quá trình này còn gọi là sự khoáng hoá chất hữu cơ vì qua đó nitơ hữu cơ được chuyển thành dạng nitơ khoáng. Dạng NH₄⁺ sẽ được chuyển hoá thành dạng NO3 nhờ nhóm vi khuẩn nitrat hoá. Các hợp chất nitrat lại được chuyển hoá thành dạng nitơ phân tử, quá trình này gọi là sự phản nitrat hoá được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn phản nitrat. Khí nitơ sẽ được cố định lại trong tế bào vi khuẩn và tế bào thực vật sau đó chuyển hoá thành dạng nitơ hữu cơ nhờ nhóm vi khuẩn cố định nitơ.
Như vậy, vòng tuần hoàn nitơ được khép kín. Trong hầu hết các khâu chuyển hoá 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 lại, toàn bộ sự chuyển hoá của vòng tuần hoàn cũng sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng.

3. Quá trình amôn hoá 

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.

Sự amôn hoá urê 

Urê có trong thành phần nước tiểu của người và động vật, chiếm khoảng 2,2% nước tiểu. Urê chứa tới 46,6% nitơ, vì thế nó là một nguồn dinh dưỡng đạm tốt với cây trồng. Tuy nhiên, thực vật không thể đồng hoá trực tiếp Urê mà phải qua quá trình amôn hoá. Quá trình amiin hoá Urê chia ra làm 2 giai đoạn, giai đoạn đầu dưới tác dụng của enzym ureaza tiết ra bởi các vi sinh vật Urê sẽ bị thuỷ phân tạo thành muối cacbonat amoni, giai đoạn 2 cacbonat amoni chuyển hoá thành NH3, CO2 và H2O:

Trong nước tiểu còn có axit uric, tồn tại trong đất một thời gian axit uric sẽ bị phân giải thành urê và axit tactronic. Sau đó urê sẽ tiếp tục bị phân giải thành NH3.

Nhóm vi sinh vật phân giải Urê và axit uric còn có khả năng amôn hoá cyanamid canxi là một loại phân bón hoá học. Chất này sau khi đi vào đất cũng bị chuyển hoá thành Urê rồi sau đó qua quá trình amôn hoá được chuyển thành NH3:

Nhiều loài vi khuẩn có khả năng amôn hoá Urê, chúng đều tiết ra enzym ureaza. Trong đó có một số loài có hoạt tính phân giải cao như Planosarcina ureae, Micrococcus ureae, Bacillus amylovorum, Proteus vulgaris... 

Một số loài vi khuẩn có khả năng amôn hoá Urê. Đa số vi sinh vật phân giải Urê thuộc nhóm háo khí hoặc kỵ khí không bắt buộc, chúng ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm. Bởi vậy khi sử dụng Urê làm phân bón người ta thường kết hợp với bón vôi hoặc tro, đồng thời xới xáo làm thoáng đất.

Sự amôn hoá protein 

Khác với lên men, cơ chất của quá trình thối rữa là protein. Protein là một trong những thành phần quan trọng của xác động vật, thực vật và vi sinh vật. Protein thường chứa khoảng 15,0 - 17,6% nitơ (tính theo chất khô). Nếu như tổng lượng cacbon trong cơ thể các sinh vật sống trên mặt đất là vào khoảng 700 tỉ tấn thì tổng lượng nitơ ít ra cũng tới 10 - 25 tỉ tấn. Trong lớp đất sâu 30 cm bao quanh Trái Đất người ta còn thấy thường xuyên có khoảng 3 - 7,5 tỉ tấn nitơ mà phần lớn là tồn tại trong các hợp chất hữu cơ chứa nitơ. Sự phân giải các hợp chất hữu cơ chứa nitơ có ý nghĩa rất lớn đối với nông nghiệp và đối với vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên. Người ta còn gọi là quá trình phân giải này là quá trình amôn hoá. 

Muốn phân giải protein, cũng giống như đối với các hợp chất cao phân tử khác, đầu tiên vi sinh vật phải tiết ra các enzym phân giải protein ngoại bào và làm chuyển hoá protein thành các hợp chất có phân tử nhỏ hơn (các polipeptit và các oligopeptit). Các chất này hoặc tiếp xúc được phân huỷ thành axit amin nhờ các peptidaza ngoại bào, hoặc được xâm nhập ngay vào tế bào vi sinh vật sau đó mới chuyển hoá thành axit amin. Một phần các axit amin này được vi sinh vật sử dụng trong quá trình tổng hợp protein của chúng, một phần khác được tiếp tục phân giải theo những con đường khác nhau để sinh NH3, CO2 và nhiều sản phẩm trung gian khác. 

Những vi sinh vật không có khả năng sinh ra các enzym phân giải protein ngoại bào rõ ràng là không có khả năng đồng hoá được các loại protein thiên nhiên. Chúng chỉ có thể sử dụng được các sản phẩm thuỷ phân của protein (polipeptit, oligopeptit, axit amin)

+ Một số axit amin bị deamin hoá bởi VSV nhờ enzym deaminaza, 1 số phản ứng, một trong những sản phẩm cuối cùng là amôn, ví dụ:

Đối với các axit amin có vòng như Triptophan, khi phân giải sẽ tạo thành các hợp chất có mùi thối như Indo và Scaton. Khi phân giải các axit amin chứa S như Metionin, Xistin, vi sinh vật giải phóng ra H2S, chất này độc đối với cây trồng. Một số hợp chất amin sinh ra trong quá trình amôn hoá có tác dụng độc đối với người và động vật. Ví dụ như histamin, acmatin... đó chính là nguyên nhân bị nhiễm độc khi ăn thịt cá thiu thối hoặc thịt hộp để quá lâu (ô nhiễm thực phẩm). 

Tỷ lệ C : N trong đất rất quan trọng đối với nhóm vi sinh vật phân huỷ protein. Nếu như tỷ lệ này quá cao, trong đất quá ít đạm vi sinh vật sẽ tranh chấp thức ăn đạm đối với cây trồng, chúng phân huỷ được bao nhiêu là hấp thụ hết vào tế bào. 

Nếu tỷ lệ C : N quá thấp, đạm dư thừa, quá trình phân huỷ sẽ chậm lại, cây trồng không có đạm khoáng mà hấp thụ. Nhiều công trình nghiên cứu đã rút ra tỷ lệ C:N bằng 20 là thích hợp nhất cho quá trình amôn hoá protein, có lợi nhất đối với cây trồng. 

Nhiều vi sinh vật có khả năng amôn hoá protein. Trong nhóm vi khuẩn có Bacillus mycoides, Bacillus mesentericus, B. subtilis, Pseudomonas fluorescens, Clostridium sporogenes... Xạ khuẩn có Streptomyces rimosus, Stretomyces griseus... Vi nấm có Aspergillus oryzae, A. flavour, A. niger, Penicilium camemberti v.v.... 

Ngoài protein và ure, nhiều loài vi sinh vật có khả năng amôn hoá kitin là một hợp chất cacbon chứa gốc amin. Kitin là thành phần của vỏ nhiều loại côn trùng, giáp xác. Hàng năm kitin được tích luỹ lại trong đất với một lượng không nhỏ. Nhóm vi sinh vật phân huỷ kitin có khả năng tiết enzym kitinaza và kitobiaza phân huỷ phân tử kitin thành các gốc đơn phân tử, sau đó gốc amin được amôn hoá tạo thành NH₃.

Bảng 4.1: Vi sinh vật gây thối 

Nhấm vi sinh vật	Dạng phân huỷ	Kiểu gây thối
		Kị khí (Yếm khí)		Hiếu khí
Nhóm các vi sinh vật có enzym đơn	Phân huỷ protein	Bacillus putrificus Bacillus histolytics Bacillus coligenes	Bacillus pyocyaneum Bacillus mensentericus
	Phân huỷ peptit	Bacillus  Ventriculosus  Bacillus orbiculus
	Phân huỷ axit amin		Bacillus faccalis Algaligenes  Proteus zenkirii
Nhóm vi sinh vật có enzym hỗn hợp	Phân huỷ protein	B. perfrigenes  B. sporogenes	Streptococus Straphylococcus Proteus vulgaris
	Phân huỷ peptit	B. bifidus  B. acidophilus  B. butyricus
	Phân huỷ axit amin		B. lactic aerogen  B. aminophilus  B. coligenes

Quá trình nitrat hoá 

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 nitrit hoá 

Quá trình oxy hoá NH₄⁺ tạo thành NO2+ được tiến hành bởi nhóm vi khuẩn nitrit hoá. Chúng thuộc nhóm vi sinh vật tự dưỡng hoá năng có khả năng oxy hoá NH₄⁺ bằng oxy không khí và tạo ra năng lượng: 

NH₄⁺ + 3/2 O₂ → NO2+ + H₂O + 2H + Năng lượng 

Năng lượng này dùng để đồng hoá CO₂ → Cacbon hữu cơ 

Enzym xúc tác cho quá trình này là các enzym của quá trình hô hấp háo khí. Nhóm vi khuẩn nitrit hoá bao gồm 4 chi khác nhau: Nitrozomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus và Nitrosospira chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, không có khả năng sống trên môi trường thạch. Bởi vậy phân lập chúng rất khó, phải dùng silicagen thay cho thạch.

- Giai đoạn nitrat hóa 

Quá trình oxy hoá NO2- thành NO3- được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn nitrat. Chúng cũng là những vi sinh vật tự dưỡng hoá năng có khả năng oxy hoá NO2- tạo thành năng lượng. Năng lượng này được dùng để đồng hoá CO₂ tạo thành đường. 

NO2- + 1/2  O₂ → NO3- + Năng lượng 

Nhóm vi khuẩn tiến hành oxy hoá NO2- thành NO3- bao gồm 3 chi khác nhau: Niitrobacter, Nitrospira và Nitrococcus.

Ngoài nhóm vi khuẩn tự dưỡng hoá năng nói trên, trong đất còn có một số loài vi sinh vật dị dưỡng cũng tiến hành quá trình nitrat hoá. Đó là các loài vi khuẩn và xạ khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Corynebacterium, Streptomyces... 

Quá trình nitrat hoá là một khâu quan trọng trong vòng tuần hoàn nitơ, nhưng đối với nông nghiệp nó có nhiều điều bất lợi: 
- Dạng đạm nitrat thường dễ bị rửa trôi xuống các tầng sâu, dễ bị đi vào quá trình phản nitrat hoá tạo thành khí nitơ làm cho đất mất đạm.
- Anion NO3- thường kết hợp với ion H+ trong đất tạo thành HNO3 làm cho pH đất giảm xuống rất bất lợi đối với cây trồng.
- Hơn nữa, lượng NO3 dư thừa trong đất được cây trồng hấp thu nhiều làm cho hàm lượng nitrat trong sản phẩm lương thực, thực phẩm cao gây độc cho người.
Bởi vậy ngày nay người ta thường hạn chế việc bón phân đạm hoá học có gốc nitrat.

Quá trình phản nitrat hóa 

Các hợp chất đạm dạng nitrat ở trong đất rất dễ bị khử biến thành nitơ phân tử. Quá trình này gọi là quá trình phản nitrat hoá. Nó khác với quá trình oxy hoá nitrat tạo thành NH₄⁺ còn gọi là quá trình amôn hoá. Có thể phân biệt hai quá trình trên qua sơ đồ sau:
Quá trình amôn hoá nitrat do một số vi khuẩn dị dưỡng tiến hành trong điều kiện hiếu khí có chức năng cung cấp NH₄⁺ cho tế bào vi khuẩn để tổng hợp axit amin.

Phản ứng khử NO3 → N₂ chỉ xảy ra trong điều kiện kỵ khí. NO₃^- là chất nhận điện 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 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). 

Đối với nông nghiệp quá trình phản nitrat hoá là một quá trình bất lợi vì nó làm cho đất mất đạm. Quá trình này xảy ra mạnh trong điều kiện kỵ khí. Oxy có tác dụng ức chế các enzym xúc tác cho quá trình khử nitrat, đó là các enzym nitrat reductaza và nitrit reductaza. Ở các ruộng lúa nước người ta thường làm cỏ xục bùn để hạn chế quá trình này, đồng thời bón đạm amôn chứ không bón đạm nitrat. 

Trong các môi trường tự nhiên ngoài quá trình phản nitrat sinh học nói trên còn có quá trình phản nitrat hoá học thường xảy ra ở pH < 5,5. Các quá trình này không có sự tham gia của vi sinh vật:

Giáo Trình Vi Sinh Vật Học Môi Trường – Lê Xuân Phương