Chương 2 Khả năng chuyển hóa các hợp chất trong môi trường tự nhiên của vi sinh vật

Khảû năngê chuyểån hóùa cáùc hợïp chấát trong môiâ trườøng tựï nhiênâ củûa vi sinh vậät TS. Lêâ Quốác Tuấán Khoa Môiâ trườøng vàø Tàøi nguyênâ Đạïi họïc Nôngâ Lâmâ TP. Hồà Chí Minh Chương 2 Chu trình nitrogen trong tựï nhiênâ Chu trình nitrogen trong tựï nhiênâ Ch u C h u t r t r ì ì n h n h n i t r o g e n n i t r o g e n p h u p h u ï ï t h u o t h u o ä ä c c v a v a ø ø o o c a c a ù ù c c h o a h o a ï ï t t đ đ o o ä ä n g n g t t ư ï ư ï n h i e â n n h i e â n v a v a ø ø c o n c o n n g n g ư ư ơ ơ ø ø i i Trong môiâ trườøng nướùc Quáù trình amônâ hóùa ™ Amônâ hóùa urêâ. Thựïc hiệän bởûi VSV: Planosarcina urea, Micrococcus urea, Bacillus amylovorum, Proteus vulgaris… ™ Amônâ hóùa protein. Thựïc hiệän bởûi VK: Bacillus mycoides, B. subtilis, Pseudomonas fluorescens, … Xạï khuẩån Streptomyces griseus…Vi nấám cóù Aspergillus oryzae, Penicilium camemberti… CO(NH2)2 + 2 H2O (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H2O R-CH(NH2)COOH R=CHCOOH + NH3 R-CH(NH2)COOH + H2O R-CH2OH-COOH + CO2 + NH3 R-CH(NH2)COOH + ½ O2 R-CO-COOH + NH3 Quáù trình nitrate hóùa ™ Giai đoạïn nitrite hóùa. Thựïc hiệän bởûi VSV: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus vàø Nitrosospira chúùng đềàu thuộäc loạïi tựï dưỡngõ bắét buộäc. 9 Năngê lượïng sinh ra trong quáù trình nàøy dùøng đểå đồàng hóùa CO2 thàønh chấát hữũ cơ. ™ Amônâ hóùa protein. Thựïc hiệän bởûi VK: Nitrobacter, Nitrospira và Nitrococcus. NH4+ + 3/2 O2 NO2- + H2O + 2 H + Q NO2- + ½ O2 NO3- + Q Quáù trình phảûn nitrate hóùa ™ Thựïc hiệän phảûn ứùng khửû nitrate thàønh khí nitơ. ™ Thuộäc nhóùm tựï dưỡngõ hoáù năngê cóù Thiobacillus denitrificans, Hydrogenomonas agilis… ™ Thuộäc nhóùm dị dưỡngõ cóù Pseudomonas denitrificans, Micrococcus denitrificanas, Bacillus licheniformis…sốáng trong điềàu kiệän kỵ khí, trong nhữngõ vùøng đấát ngậäp nướùc. ™ Năngê lượïng tạïo ra dùøng đểå tổång hợïp ATP NO3 NO2 NO Amôn hoá nitrate N2O N2 Phản nitrate hoá NH2OH NH3 Sơ đồà phảûn ứùng phảûn chuyểån hóùa nitrogen Quáù trình phảûn nitrate hóùa ™ Trong nôngâ nghiệäp: phảûn nitrate hóùa làø quáù trình bấát lợïi, thườøng xảûy ra trong điềàu kiệän yếám khí. ™ Ngoàøi quáù trình phảûn nitrate hóùa sinh họïc, trong tựï nhiênâ còøn cóù quáù trình phảûn nitrate hóùa họïc xảûy ra khi pH <5.5. NH4Cl + HNO3 N2 + HCl + H2O R-NH2 + HNO3 N2 + R-OH + H2O Quáù trình cốá định nitơ phânâ tửû ™ Phảûn ứùng đốát cháùy nitrogen khôngâ khí. ™ Quáù trình cốá định nitrogen bởûi vi sinh vậät. 32 4000 22 22 0 2 HNONONOON OOC ⎯→⎯⎯→⎯⎯⎯ →⎯+ H2O Sự hình thành nốt sần ở cây họ đậu Câyâ họï đậäu vàø vi khuẩån cốá định nitrogen Mộät sốá loàøi vi khuẩån cóù khảû năngê cốá định nitrogen tựï do ™ Azospirillum ™ Vi khuẩån hiếáu khí sốáng tựï do thuộäc chi Azotobacter ™ Vi khuẩån kị khí sốáng tựï do thuộäc chi Clostridium ™ Vi khuẩån lam sốáng tựï do vàø vi khuẩån lam cộäng sinh trong bèøo hoa dâuâ . Bèo hoa dâu và vi khuẩn cố định đạm (Anabaena Azollae) Vòøng tuầàn hoàøn phosphorus trong tựï nhiênâ Mưa Thực vật Động vật Vi sinh vật P trong đất Thấm qua QT nâng lên của địa tầng Chảy tràn QT phong hóa P từ đất Phosphate trong nước Lắng đọng nền đáy Tạo nền đáy Đá mới V o V o øø ngng tua tua àà nn hoa hoa øø nn phosphorus phosphorus trong trong m ôi m ôi trtr ưư ơơ øø ngng nn ưư ơơ ùù cc V o V o øø ngng tua tua àà nn hoa hoa øø nn phosphorus phosphorus trong trong m ôi m ôi trtr ưư ơơ øø ngng đđ aa áá tt vava øø nn ưư ơơ ùù cc Ư Ù Ư Ù ngng dudu ïï ngng V o V o øø ngng tua tua àà nn hoa hoa øø nn phosphorus phosphorus sasa ûû nn sasa ûû nn xua xua áá tt sinh sinh kho kho áá ii Sựï phânâ giảûi phosphore hữũ cơ trong đấát do vi sinh vậät Nucleoprotein nuclein a. nucleic H3PO4 „ H3PO4 thườøng phảûn ứùng vớùi cáùc kim loạïi trong đấát tạïo thàønh cáùc muốái phosphate khóù tan như Ca3(PO4)2, FePO4, AlPO4… „ Vi sinh vậät phânâ giảûi P hữũ cơ chủû yếáu thuộäc 2 chi Bacillus vàø Pseudomonas. „ Ngàøy nay, ngườøi ta đãõ pháùt hiệän thấáy mộät sốá xạï khuẩån vàø vi nấám cũngõ cóù khảû năngê phânâ giảûi phosphore hữũ cơ. Sựï phânâ giảûi phosphore vôâ cơ do vi sinh vậät Ca3(PO4)2 + 4 H2CO3 + H2O Ca(H2PO4)2 + H2O + 2 Ca(HCO3)2 Dạng khó tan Dạng dễ tan Dạng dễ tan Ca3(PO4)2 + 4 HNO3 Ca(H2PO4)2 + 2 Ca(NO3)2 Ca3(PO4)2 + 2 H2SO4 Ca(H2PO4)2 + 2 CaSO4 ™Các loài có khả năng phân giải mạnh là Bacillus megatherium, B. butyricus, P. radiobacter, P. gracilis… ™Trong nhóm vi nấm thì Aspergillus niger có khả năng phân giải mạnh nhất. ™Ngoài ra một số xạ khuẩn cũng có khả năng phân giải phosphore vô cơ. Sựï chuyểån hoáù cáùc hợïp chấát lưu huỳønh củûa vi sinh vậät Vịng tuần hồn lưu huỳnh Source: Ecology and Evolution, Department of Biology, Kenyon College Vịng tuần hồn lưu huỳnh Cáùc phảûn ứùng sinh hóùa trong vòøng tuầàn hoàøn lưu huỳønh Chất hữu cơ có S Protein động vật, hữu cơ có S Protein thực vật, hữu cơ có S Lưu Huỳnh (S) Sựï oxy hoáù cáùc hợïp chấát lưu huỳønh do vi khuẩn tự dưỡng hóùa năngê ™Quá trình này làm cho pH của đất giảm xuống ™Năng lượng sinh ra trong quá trình oxi hóa dùng để đồng hóa CO2 tạo thành đường ™Các loài vi khuẩn có khả năng oxy hoá các hợp chất lưu huỳnh là Thiobacillus thioparus và Thiobacillus thioxidans. 2H2S + O2 2 H2O + 2 S + Q 2 S + 3 O2 + 2 H2O 2 H2SO4 + Q 5 Na2S2O3 + H2O + 4 O2 5 Na2SO4 + 2 S2 + H2SO4 + Q Na2S4O6 + O2 3 Na2SO4 + 5 H2SO4 + Q Sựï oxy hoáù cáùc hợïp chấát lưu huỳønh do vi khuẩån tựï dưỡngõ quang năngê ™Các vi khuẩn thuộc họ Chlorobacteriaceae thường oxy hoá H2S theo phương trình sau ánh sáng CO2 + H2S + H2O C6H12O6 + H2SO4 ™Các vi khuẩn thuộc họ Thiodaceae thường oxy hoá H2S theo phương trình sau ánh sáng CO2 + H2S + H2O C6H12O6 + S ¾Ở nhóm vi khuẩn trên, S được hình thành không tích luỹ trong cơ thể mà ở ngoài môi trường Sựï khửû cáùc hợïp chấát lưu huỳønh vôâ cơ do vi sinh vậät 9Quá trình này xảy ra trong điều kiện kỵ khí, ở tầng nước sâu 9Chất hữu cơ đóng vai trò cung cấp hydrogen 9Quá trình phản sulphate hóa tạo ra nhiều H2S gây nên ô nhiễm môi trường ™Quá trình này được gọi là quá trình phản sulphate hóa, theo phương trình sau C6H12O6 + 3 H2SO4 6 CO2 + 6 H2O + 3 H2S + Q