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

Sự chuyển hoá vật chất liên tục của vi sinh vật trong môi trường tự nhiên chính là yếu tố quyết 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 sống có được trên hành tinh chúng ta chính nhờ sự luân chuyển đó.

Trong các khâu của các chu trình chuyển hóa 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 thì toàn bộ quá trình chuyển hoá sẽ bị dừng lại, điều này sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ hệ sinh thái vì sự tồn tại của các loài sinh vật trong hệ sinh thái phụ thuộc vào nguồn thức ăn có trong môi trường.

KHẢ NĂNG CHUYỂN HOÁ CÁC HỢP CHẤT CACBON TRONG MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN 

Vòng tuần hoàn cacbon trong tự nhiên 

Carbon cycle chu trình cacbon: Sự chu chuyển của nguyên tố cacbon giữa cơ thể và môi trường nhờ hoạt động sống của các sinh vật trong hệ sinh thái. Cacbon đioxit (CO2) trong khí quyển hay trong nước được sinh vật tự dưỡng hấp thụ và biến đổi thành các hợp chất hữu cơ phức tạp như hyđrat cacbon, protein, lipit... thông qua quá trình quang hợp và những phản ứng sinh hoá. Một phần các chất được tạo thành cấu trúc nên cơ thể thực vật. Thực vật được động vật hay các sinh vật dị dưỡng sử dụng, sau đó, các chất bài tiết cũng như xác chết của sinh vật bị vi khuẩn phân huỷ đến giai đoạn cuối cùng (giai đoạn kháng hoá) trả lại Cacbon đioxit cho môi trường.

Cacbon trong tự nhiên nằm ở rất nhiều dạng hợp chất khác nhau, từ các hợp chất vô cơ đến các hợp chất hữu cơ. Các dạng này không bất biến mà luôn luôn chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác, khép kín thành một chu trình chuyển hoá hoặc vòng tuần hoàn cacbon trong tự nhiên. Vi sinh vật đóng một vai trò quan trọng trong một số khâu chuyển hoá của vòng tuần hoàn này.

Các hợp chất cacbon hữu cơ chứa trong động vật, thực vật, vi sinh vật, khi các vi sinh vật này chết đi sẽ để lại một lượng chất hữu cơ khổng lồ trong đất. Nhờ hoạt động của các nhóm vi sinh vật dị dưỡng cacbon sống trong đất, các chất hữu cơ này dần dần bị phân huỷ tạo thnàh CO2. CO2 được thực vật và vi sinh vật sử dụng trong quá trình quang hợp lại biến thành các hợp chất cacbon hữu cơ của cơ thể thực vật. Động vật và con người sử dụng cacbon hữu cơ của thực vật biến thành cacbon hữu cơ của động vật và người. Người, động vật, thực vật đều thải ra CO2 trong quá trình sống, đồng thời khi chết đi để lại trong đất một lượng chất hữu cơ, vi sinh vật lại bị phân huỷ nó. Cứ thế trong tự nhiên các dạng hợp chất cacbon được chuyển hoá liên tục. Dưới đây ta xét đến các quá trình chuyển hoá chính mà vi sinh vật tham gia.

Sự phân giải một số các hợp chất cacbon do vi sinh vật 

Sự phân giải xenluloza 

a. Xenluloza trong tự nhiên 
Xenluloza là thành phần chủ yếu của màng tế bào thực vật. Ở cây bông, xenluloza chiếm tới 90% trọng lượng khô, ở các loại cây gỗ nói chung xenluloza chiếm 40 - 50%. Hàng ngày, hàng giờ, một lượng lớn xenluloza được tích luỹ lại 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 người thải ra dưới dạng rác rưởi, giấy vụn, phôi 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 trái đất.

Xenluloza có cấu tạo dạng sợi, có cấu trúc phân tử là 1 polimer mạch thẳng, mỗi đơn vị là một disaccarrit gọi là xenlobioza. Xenlobioza có cấu trúc từ 2 phân tử D - glucoza. Cấu trúc bậc 2 và bậc 3 rất phức tạp thành cấu trúc dạng lớp gắn với nhau bằng lực liên kết hydro. Lực liên kết hydro trùng hợp nhiều lần nên rất bền vững, bởi vậy xenluloza là hợp chất khó phân giải. Dịch tiêu hoá của người và động vật không thể tiêu hoá được chúng. Động vật nhai lại tiêu hoá được xenluloza là nhờ khu hệ vi sinh vật sống trong dạ dày cỏ.

b. Cơ chế của quá trình phân giải xenluloza nhờ vi sinh vật 
Xenluloza là một cơ chất không hoà tan, khó phân giải. Bởi vậy vi sinh vật phân huỷ xenluloza phải có một hệ enzym gọi là hệ enzym xenlulaza bao gồm 4 enzym khác nhau.

1. Enzym C1 có tác dụng cắt đứt liên kết hydro, biến dạng xenluloza tự nhiên có cấu hình không gian thành dạng xenluloza vô định hình, enzym này gọi là xenlobiohydrolaza.
2. Enzym thứ hai là Endoglucanaza có khả năng cắt đứt các liên kết β - 1,4 bên trong phân tử tạo thành những chuỗi dài.
3. Enzym thứ 3 là Exo - gluconaza tiến hành phân giải các chuỗi trên thành disaccarit gọi là xenlobioza. Cả hai loại enzym Endo và  Exo - gluconaza được gọi là Cx.
4. Enzym thứ 4 là β - glucosidaza tiến hành thủy phân xenlobioza thành glucoza.

c. Vi sinh vật phân huỷ xeluloza 

Trong thiên nhiên có nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng phân huỷ xenluloza nhờ có hệ enzym xenluloza ngoại bào. Trong đó vi nấm là nhóm có khả năng phân giải mạnh vì nó tiết ra môi trường một lượng lớn enzym đầy đủ các thành phần. Các nấm mốc có hoạt tính phân giải xenluloza đáng chú ý là Tricoderma. Hầu hết các loài thuộc chi Tricoderma sống hoạt sinh trong đất và đều có khả năng phân huỷ xenluloza. Chúng tiến hành phân huỷ các tàn dư của thực vật để lại trong đất, góp phần chuyển hoá một lượng chất hữu cơ khổng lồ. Tricoderma còn sống trên tre, nứa, gỗ tạo thành lớp mốc màu xanh phá huỷ các vật liệu trên. Trong nhóm vi nấm ngoài Tricoderma còn có nhiều giống khác có khả năng phân giải xenluloza như Aspergillus, Fusarium. Mucor... 

Nhiều loài vi khuẩn cũng có khả năng phân huỷ xenluloza, tuy nhiên cường độ không mạnh bằng vi nấm. Nguyên nhân là do số lượng enzym tiết ra môi trường của vi khuẩn thường nhỏ hơn, thành phần các loại enzym không đầy đủ. Thường ở trong đất có ít loài vi khuẩn có khả năng tiết ra đầy đủ 4 loại enzym, trong hệ enzym xenlulaza. Nhóm này tiết ra một loại enzym trong hệ enzym xenlulaza. Nhóm này tiết ra một loại enzym, nhóm khác tiết ra các loại khác, chúng phối hợp với nhau để phân giải cơ chất trong mối quan hệ hỗ sinh. 

Nhóm vi khuẩn hiếu khí bao gồm Pseudomonas, Xenllulomonas, Achromobacter. 

Nhóm vi khuẩn kị khí bao gồm Clostridium và đặc biệt là nhóm vi khuẩn sống trong dạ cỏ của động vật nhai lại. Chính nhờ nhóm vi khuẩn này mà trâu bò có thể sử dụng được xenluloza có trong cỏ, rơm rạ làm thức ăn. Đó là những cầu khuẩn thuộc chi Ruminococcus có khả năng phân huỷ xenluloza thành đường 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 thường 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 trưởng, phát triển tốt nhất ở nhiệt độ 45 - 50 độ C rất thích hợp với quá trình ủ rác thải. 

Sự phân giải tinh bột 

a. Tinh bột trong tự nhiên 

Tinh bột là chất dự trữ chủ yếu là của thực vật, bởi vậy nó chiếm một tỉ lệ lớn trong thực vật, đặc biệt là trong những cây có củ. Trong tế bào thực vật, nó tồn tại ở dạng các hạt tinh bột. Khi thực vật chết đi, tàn dư thực tích luỹ ở trong đất một lượng lớn tinh bột. Nhóm vi sinh vật phân huỷ tinh bột sống đất sẽ tiến hành phân huỷ chất hữu cơ này thành những hợp chất đơn giản, chủ yếu là đường và axit hữu cơ.

Tinh bột gồm 2 thành phần amilo và amipectin. Amilo là những chuỗi không phân nhánh bao gồm hành trăm đơn vị glucoza liên kết với nhau bằng dãy nối 1,4 glucozit. Amilopectin là các chuỗi phân nhánh; các đơn vị glucoza liên kết với nhau bằng dây nối 1,4 và 1,6 glucozit (liên kết 1.6 glucozit tại những chổ phân nhánh). Amilopectin chính là dạng liên kết của các amilo thường chiếm 10 - 30%, amilopectin chiếm 30 - 70%. Đặc biệt có một số dạng tinh bột ở một vài loại cây chỉ chứa một trong hai thành phần amilo hoặc amilopectin. 

b. Cơ chế của quá trình phân giải tinh bột nhờ vi sinh vật 

Vi sinh vật phân giải tinh bột có khả năng tiết ra môi trường hệ enzym amilaza bao gồm 4 enzym:

1. α - amilaza có khả năng tác động vào bất kỳ mối liên kết 1,4 glucozit nào trong phân tử tinh bột. Bởi thế α - amilaza còn được gọi là endoamilaza. Dưới tác động của α - amilaza phân tử tinh bột được cắt thành nhiều đoạn ngắn gọi là sự dịch hoá tinh bột. Sản phẩm của sự dịch hoá thường là các đường 3 cacbon gọi là Mantotrioza. 
2. β - amilaza chỉ có khả năng cắt đứt mối liên kết 1,4 glucozit ở cuối phân tử tinh bột bởi thế còn gọi là exoamilaza. Sản phẩm của β - amilaza thường là đường disaccarit matoza. 
3. Amilo 1,6 glucosidaza có khả năng cắt đứt mối liên kết 1,6 glucosit tại những chỗ phân nhánh của amilopectin. 
4. Glucoamilaza phân giải tinh bột thành glucoza và các oligosaccarit. Enzym này có khả năng phân cắt cả hai loại liên kết 1,4 và 1,6 glucozit. 

Dưới tác động của 4 loại enzym trên, phân tử tinh bột được phân giải thành đường glucoza.

c. Vi sinh vật phân giải tinh bột 

Trong đất có nhiều loại vi sinh vật có khả năng phân giải tinh bột. Một số vi sinh vật có khả năng tiết ra môi trường đầy đủ các loại enzym trong hệ enzym amilaza. Ví dụ như một số vi nấm bao gồm một số loài trong các chi Aspergillus, Fusarius, Rhizopus... Trong nhóm vi khuẩn có một số loài thuộc chi Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas... Xạ khuẩn cũng có một số chi có khả năng phân huỷ tinh bột. 

Đa số các vi sinh vật không có khả năng tiết đầy đủ hệ enzym amilaza phân huỷ tinh bột. Chúng chỉ có thể tiết ra môi trường một hoặc một vài men trong hệ đó. Ví dụ như các loài Aspergillus candidus, A.niger, A.oryzae, Bacillus subtilis, B. mesenterices, Clostridium pasteurianum, C. butiricum... chỉ có khả năng tiết ra môi trường một loại enzym α - amilaza. Các loài Aspergillus oryzae, Clostridium acetobutilicum... chỉ tiết ra môi trường β - amiloza. Một số loài khác chỉ có khả năng tiết ra môi trường enzym glucoamilaza. Các nhóm này cộng tác với nhau trong quá trình phân huỷ tinh bột thành đường. 

Trong sản xuất người ta thường sử dụng các nhóm vi sinh vật có khả năng phân huỷ tinh bột. Ví dụ như các loại nấm mốc thường được dùng ở giai đoạn đầu của quá trình làm rượu, tức là giai đoạn thuỷ phân tinh bột thành đường. Trong chế biến rác thải hữu cơ người ta cũng sử dụng những chủng vi sinh vật có khả năng phân huỷ tinh bột để phân huỷ tinh bột có trong thành phần rác hữu cơ. 

Sự phân giải đường đơn

Ở phần trên chúng ta thấy kết quả của quá trình phân giải xenluloza và tinh bột đều tạo thành đường đơn (đường 6 cacbon). Đường đơn tích luỹ lại trong đất sẽ được tiếp tục phân giải các nhóm vi sinh vật phân giải đường. Có hai nhóm vi sinh vật phân giải đường: nhóm háo khí và nhóm lên men.

A. Sự phân giải đường nhờ các quá trình lên men 

Sản phẩm của sự phân giải đường nhờ các quá trình lên men là những chất hữu cơ chưa được oxy hoá triệt để. Dựa vào các sản phẩm sinh ra người ta đặt tên cho các quá trình đó: 

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 bởi vi sinh vật, glucoza được chuyển hoá theo con đường Embden - Mayerhof để tạo thành pyruvat. Pyruvat dưới tác dụng của men piruvat decacboxylaza và tiamin pirophotphat sẽ khử cacboxyl tạo thành axetaldehyt. Axetaldehyt sẽ bị khử thành rượu etylic. Đó chính là cơ chế của quá trình lên men rượu, quá trình này ngoài tác dụng của hệ thống enzym do vi sinh vật tiết ra còn đòi hỏi sự tham gia của photphat vô cơ.

2C6H12O6 + 2H3PO4 → 2CO2 + 2CH3CH2OH + 2H2O

+ fructoza 1,6 diphotphat

Đó là kiểu lên men rượu bình thưuờng. Khi có mặt của NaHCO3 hay Na2HPO4 quá trình lên men sẽ sinh ra một sản phẩm khác là Glyxerin đồng thời hạn chế sự sịn ra rượu etylic. 

Nhiều loài vi sinh vật có khả năng lên men rượu, trong đó mạnh nhất là có ý nghĩa kinh tế nhất là nấm men Saccharomyces cerevisiae. Người ta thường ứng dụng quá trình lên men rượu để sản xuất rượu, bia nước giải khát lên men. Khi sử dụng nguồn tinh bột để chế tạo rượu thì người ta phải tiến hành 2 bước, bước 1 là quá trình phân huỷ tinh bột thành đường thường dùng các loài nấm mốc phân huỷ tinh bột. Bước 2 mới là quá trình lên men đường thành rượu thường sử dụng nấm men. Để rút ngắn và đơn giản hoá quá trình, một số nhà nghiên cứu đang tiến hành ghép gen phân huỷ tinh bột ở một loài nấm mốc có khả năng phân huỷ tinh bột vào Saccharomyces serevisiae.

Quá trình lên men rượu còn được sử dụng trong công nghiệp làm bánh mỳ, CO2 sinh ra trong quá trình lên men có tác dụng làm nở bột mỳ. Các nấm men có khả năng lên men rượu còn được dùng trong việc ủ men thức ăn. Thức ăn gia súc được ủ men có hương vị thơm ngon kích thích tiêu hoá của gia súc.

2. Quá trình lên men Lactic 

Quá trình phân giải glucoza thành axit 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 phân giải theo con đường Embden - Mayerhof tạo thành axit pyruvic, axit pyruvic khử thành axit lactic.

Quá trình lên men lactic đồng hình được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn Lactobacterium và Streptococcus. 

Ở sự lên men lactic dị hình glucoza bị phân giải theo con đường pentozophotphat. Sản phẩm của quá trình lên men ngoài axit lactic còn có rượu etylic, axit axetic và glyxerin.

Vi khuẩn lactic thường đòi hỏi nhiều loại chất sinh trưởng, chúng khó có thể phát triển trên môi trường tổng hợp mà chỉ có thể sống trên môi trường có các chất hữu cơ như nước chiết nấm men, sữa, máu v.v... Chúng thường phân bố trên thực vật hoặc xác thực vật, trong sữa, các sản phẩm của sữa, trong ruột người và động vật.

Quá trình lên men lactic được ứng dụng để chế tạo axit lactic, muối rau quả, chế biến sữa chua v.v... Rau quả được muối, sữa biến thành sữa chua sau quá trình lên men lactic đều có tác dụng tiêu hoá rất tốt. Việc ủ chua thức ăn gia súc cũng dựa trên sự lên men lactic.

Trong quá trình muối dưa, áp suất thẩm thấu do muối tạo ra sẽ làm cho chất dịch bên trong tế bào rau đi ra ngoài. Vi khuẩn lactic có sẵn trong không khí sử dụng dịch tế bào đó để sống, lúc 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 lactic cũng bị ức chế, lúc đó sẽ xuất hiện váng dưa là một loại nấm men chịu pH thấp. Nấm men này phân huỷ axit lactic thành CO2 và H2O làm cho dưa giảm độ chua, các loại vi khuẩn hoại sinh do pH lên cao lại phát triển trở lại làm cho dưa bị khú.

Ngoài các quá trình lên men rượu, lên men lactic nói trên, trong thiên nhiên còn có nhiều nhóm vi sinh vật tiến hành phân giải đường nhờ các quá trình lên men khác. Ví dụ như sự lên men propionic, sản phẩm của quá trình là axit propionic, sự lên men focmic, lên men butiric, lên men metan... sản phẩm của quá trình là axit focmic, rượu butiric, khí mêtan... các nhóm vi khuẩn trên đều phân bố rộng rãi trong đất và tiến hành phân giải đường đơn thành các sản phẩm khác nhau. Đó là sự phân giải đường nhờ các quá trình lên men.

B. Sự phân giải đường nhờ các quá trình oxy hoá 

Ngoài các quá trình lên men, trong thiên nhiên còn có các nhóm vi sinh vật có khả năng phân giải đường bằng con đường oxy hoá. 

Đó là các nhóm vi sinh vật háo khí có khả năng phân huỷ triệt để đường glucoza thành CO2 và H2O qua chu trình Crebs (đọc giáo trình sinh hoá học). Sản phẩm của các quá trình háo khí không phải là các chất hữu cơ như ở các quá trình lên men mà là CO2 và H2O.

Như vậy nhờ các nhóm vi sinh vật khác nhau mà đường glucoza được sinh ra trong sự phân giải xenluloza và tinh bột lại được phân giải tiếp tục. Các sản phẩm của quá trình phân giải đường do lên men cũng được tiếp tục phân giải. Ví dụ như rượu etylic là sản phẩm của quá trình lên men rượu sẽ được nhóm vi khuẩn axetic chuyển hoá thành axit axetic, đó chính là cơ chế của quá trình sản xuất dấm ăn v.v...

Các hợp chất cacbon hữu cơ trong đất được các nhóm vi sinh vật khác nhau phân huỷ cuối cùng thành CO2 và H2O. CO2 và H2O lại được nhóm vi khuẩn dinh dưỡng quang năng và thực vật đồng hoá thành chất hữu cơ, khép kín vòng tuần hoàn cacbon, nếu như không có sự hoạt động của các nhóm vi sinh vật trong đất thì vòng tuần hoàn cacbon không thể khép kín, các chất hữu cơ không được phân huỷ và lúc đó tai họa sinh thái sẽ xảy ra dẫn đến sự khủng hoảng sinh cầu, sự sống trên trái đất sẽ không thể tiếp diễn.

3. Sự cố định CO2 

Là quá trình quang hợp của cây xanh và vi sinh vật tự dưỡng quang năng. Quá trình này chuyển hoá CO2 thành chất hữu cơ - sản phẩm của quá trình quang hợp. 

Tóm lại, các nhóm vi sinh vật tham gia trong quá trình chuyển hoá các hợp chất cacbon đã góp phần khép kín vòng tuần hoàn vật chất, giữ mối cân bằng vật chất trong thiên nhiên. Từ đó giữ được sự cân bằng sinh thái trong các môi trường tự nhiên. Sự phân bố rộng rãi của các nhóm vi sinh vật chuyển hoá các hợp chất cacbon còn góp phần làm sạch môi trường, khi môi trường bị ô nhiễm các hợp chất hữu cơ chứa cacbon. Người ta sử dụng những nhóm vi sinh vật này trong việc xử lý chất thải có chứa các hợp chất cacbon hữu cơ như xenluloza, tinh bột v.v...

Nguồn:

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