Lý thuyết các nhóm vi sinh vật chuyển hóa nito Sinh học 11

LÝ THUYẾT CÁC NHÓM VI SINH VẬT CHUYỂN HÓA NITO

1. Tầm quan trọng của Nitơ đối với các sinh vật:

1.1 Các dạng Nitơ trong sinh quyển:

• Vi sinh vật có khả năng hấp thụ nhiều nguồn dinh dưỡng nitơ khác nhau. Tùy theo đặc điểm dinh dưỡng của từng loại mà nó đòi hỏi các dạng nitơ khác nhau.
  • Dạng nitơ vô cơ như NH₃, NH₄⁺, NO₃ là các nguồn dinh dưỡng đối với nhóm vi sinh vật tự dưỡng amin. Chúng có khả năng đồng hóa các nguồn nitơ ở dạng các hợp chất vô cơ như trên, từ đó tổng hợp nên các axít aminh của cơ thể. Trong các hợp chất đó NH₃, NH₄⁺ đễ hấp thu nhất đối với vi sinh vật, nhất là đối với vi khuẩn và nấm men. Trong khi đó các muối nitrat lại là nguồn thức ăn thích hợp với nhiều xạ khuẩn, nấm mốc và tảo.
  • Dạng nitơ hữu cơ như protein, polypeptit, axit amin là nguồn dinh dưỡng đối với nhóm vi sinh vật dị dưỡng amin, chúng không có khả năng tự tổng hợp các axit amin của tế bào từ các hợp chất nitơ vô vơ. Vi sinh vật không có khả năng hấp thụ trực tiếp phân tử protein mà phải phân hủy chúng thành các polypeptit nhờ men proteaza. Thường chỉ những polypeptit không quá 5 axit amin mới được vi sinh vật hấp phụ. Có những loài vi sinh vật đòi hỏi phải có sẵn những axit amin nhất định trong môi trường nuôi cấy. Danh sách các axit amin cần thiết đó gọi là aminogram khác nhau tùy theo loài vi sinh vật. Các dạng nitơ hữu cơ không những là nguồn dinh dưỡng nitơ cho vi sinh vật mà còn là nguồn dinh dưỡng cacbon như phần trên đã nói.
  • Dạng nitơ phân tử (N₂) chiếm phần lớn trong không khí là nguồn dinh dưỡng nitơ của nhóm vi sinh vật cố định nitơ. Trong tự nhiên chỉ có nhóm này là có khả năng đồng hóa nitơ phân tử. Có những loài sống tự do trong đất, có loài sống cộng sinh với thực vật, cung cấp cho thực vật một lượng đạm đáng kể.
• Trong đất lượng Nitơ chiếm từ 0,02 – 0,4% , 95% Nitơ ở dạng hữu cơ gồm protit động thực vật bị vsv phân giải, 5% Nitơ ở dạng vô cơ ( NO_{3 ,} NH₄Cl …) là Nitơ dễ tiêu. Trong không khí Nitơ chiếm tỉ lệ lớn hơn trong khí quyển 75,6% (4 x 10­⁵ tấn) nhưng ở dạng Nitơ tự do cây không sử dụng được, nhờ hoạt động cố định bởi vi sinh vật cây mới sử dụng được dạng này.

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

12.1. Vòng tuần hoàn nitơ trong tự nhiên.

• 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 hóa. Quá trình này còn gọi là sự khoáng hóa chất hữu cơ vì qua đó nitơ hữu cơ được chuyển thành dạng nitơ khoáng. Dạng NH₄⁺ sẽ được chuyển hóa thành dạng NO₃^- nhờ nhóm vi khuẩn nitrat hóa. Các hợp chất nitrat lại được chuyển hóa thành dạng nitơ phân tử, quá trình này gọi là sự phản nitrat hóa 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 hóa 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 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 lại, toàn bộ sự chuyển hóa của vòng tuần hoàn cũng sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng.

1.2.2  Quá trình amôn hóa

• Trong thiên nhiên tồn tại nhiều dạng hợp chất nitơ hữu cơ như protein, axit amin, axat 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 hóa được dạng nitơ hữu cơ phức tạp như trên, nó chỉ có thể sử dụng được sau quá trình amôn hóa. Qua quá trình amôn hóa, các dạng nitơ hữu cơ được chuyển hóa thành dạng NH₄⁺ hoặc NH₃.

1.2.3. Sự amôn hóa 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 đối với cây trồng. Tuy nhiên thực vật không thể đồng hóa trực tiếp Urê mà phải qua quá trình amôn hóa nhờ các vi sinh vật có khả năng sản sinh ra urease làm chuyển hóa ure thành NH₃ để tránh lãng phí một nguồn nitơ lớn lao chứa trong ure.
• Quá trình amôn hóa 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 thủy phân tạo thành muối cacbonat
• Sử dụng các Nguồn Nitơ hóa học thì có

1.3 Vai trò sinh lý của Nitơ:

Nitơ là một nguyên tố phổ biến trong tự nhiên. Trong tự nhiên Nitơ có ở đất và không khí. Nitơ có vai trò sinh lý sau:

• Nitơ là thành phần bắt buộc của nhiều hợp phần cấu thành tế bào thực vật gồm các axxit amin, protein, axit Nucleotid, các hộp chất cao năng (ADP, ATP, GDP, UDP, UTP….); các enzim, coenzim ( NAD, NADP, FAD, Coenzim A…)
• Nitơ tham gia xây dựng nên các hợp chất có tác dụng điều tiết các quá trình hấp thu và bài tiết của tế bào như phospholipid xây dựng nền màng sinh học và bảo đảm tính phân cực của màng, tính hấp thu chọn lọc, tính bán thấm của các hệ thống màng của bào quan và tế bào.
• Nitơ có trong thành phần của một số vitamin và nhóm hoạt động của các enzim như vitamin B₆, axit pantotenic (vit PP)…
• Nitơ tham gia xây dựng vòng pocphirin là nhân của diệp lục, sắc tố giữ vai trò quyết định trong việc biến năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học bảo đảm cho sự sống trên trái đất.
• Nitơ là thành phần bắt buộc của một số phytohoocmom như auxin, xitokinin – là tác nhân điều tiết các quá trình sinh trưởng và phát triển của cơ thể thực vật.
• Nitơ là thành phần của các chất ancalôit và các kháng sinh trong cơ thể thực vật.
• Nitơ có ảnh hưởng đến tính chất hóa lý của hệ keo nguyên sinh chất.

→ Do đó Nitơ có vai trò rất cơ bản và quan trọng đối với sự sống của cây.

• Trong tự nhiên Nitơ tồn tại ở dạng phân tử có liên kết 3 rất bền do đó khó phá vỡ được Nitơ trong điều kiện bình thường vì vậy cây không thể sử dụng được, việc chuyển hóa Nitơ trong khí quyển nhờ các phân tử cố định Nitơ.
• Hằng năm một lượng lớn Nitơ từ đất bay ra, các quá trình phản nitrat hóa sinh học, đốt cháy được đưa vào khí quyển.
• Trong công nghiệp quá trình cố định Nitơ được thực hiện bằng cách phá vỡ 3 liên kết trong 2 nguyên tử Nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao và một áp suất rất cao và một số chất xúc tác vô cơ.
• Phản ứng :

                   N₂ +3H₂ → 2NH₃

                   N₂  +O₂  → 2NO  → NO₂  → NO₃

                   N₂ +CaC₂  → C + CaNC

• Lượng Nitơ trong phân bón hóa học được chế tạo trên toàn thế giới theo con đường cố định công nghiệp năm 1971 là 35.129 x 10³ tấn và hiện nay còn cao hơn gấp nhiều lần. Tuy nhiên số lượng Nitơ này hoàn toàn cách xa số lượng Nitơ mà cây trồng đòi hỏi phải được cung cấp hằng năm.
• Chính nhờ quá trình cố định Nitơ SH mà nhu cầu về Nitơ của cây trồng trên thế giới mới được đáp ứng. Hằng năm có khoảng 170 x 10⁶ tấn Nitơ không khí được chuyển thành Nitơ hữu cơ nhờ quá trình này để cung cấp cho cây cối trên trái đất.
• Sử dụng Nitơ khí trời do vsv đồng thời làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường .VSV biến đổi Nitơ tồn tại trong đất thông qua các quá trình: quá trình amôn hóa NO^-₃ - NH₄⁺, quá trình nitrat hóa NO₃ àNO­^-₂ và hợp chất Nitơ cần thiết được vsv tạo ra trong đất để cây sử dụng.
• Quá trình cố định Nitơ phân tử theo con đường SH chuyển hóa N₂ àNH₃ cây sử dụng được nhờ enzim nitrogenaza ở điều kiện nhiệt độ, áp suất khí quyển và năng lượng ATP.
• Phản ứng : N_2­ + 16 ATP + 8e + 8H  → 2NH₃ + H₂ + 16 ADP +16P_i
• 2 Các nhóm vi sinh vật chuyển hóa Nitơ:
  • Trong tự nhiên có 2 nhóm vi sinh vật chính cố định Nitơ: sự phân chia này dựa vào cách sống của chúng.

2.1  Nhóm vi sinh vật sống cộng sinh:

2.1.1 Vi khuẩn nốt sần sống cộng sinh với cây thuộc bộ Đậu:

• Vi khuẩn nốt sần cộng sinh với cây thuộc họ Đậu. Năm 1866 Henrighen và Vinphac đã chứng minh được rằng cây đậu khác các thực vật khác ở chỗ chúng có khả năng sử dụng N_2­ trong không khí.
• Năm 1888 Beijerinck đã phân lập được loại vi khuẩn sống cộng sinh trong nốt sần ở rễ một cây thuộc họ Đậu (đậu Hà lan, đậu tằm, đậu côve, đậu chân chim, đậu lotus…). Ông đặt tên cho loại vi khuẩn này là Bacillus radiacola thuộc chi Rhizobium.
• Quan sát sự phát triển của nốt sần trên các môi trường dinh dưỡng nhân tạo người  thường chia chúng thành 2 nhóm:

                           Mọc nhanh ( đậu Hà Lan, CôVe….) thuộc chi Rhizobium.

                           Mọc chậm (đậu hương, đậu đũa …) thuộc chi Bradyrhizobium.

• Vi khuẩn nốt sần thuộc loại hiếm khí, tuy nhiên chúng vẫn có thể phát thể phát triển được ngay cả trong trường hợp chỉ có một áp lực oxi rất thấp 0,01 atm. Đa số các loại vi khuẩn nốt sần phát triển ở PH = 6,5 – 7,5, nhiệt độ thích hợp 24-26⁰C.

          a. Hình thái: rất biến động, tùy theo chủng đủ các hình thái: cầu, que, hình chữ Y và biến đổi theo giai đoạn sinh trưởng.

• Căn cứ vào những tài liệu hiện có thì vi khuẩn nốt sần khi còn non có tế vào hình que. Khi già vi khuẩn nốt sần trở nên bất động. có vi khuẩn nốt sần tạo thành những dạng hình cầu di động hoặc không di động.
• Trên môi trường nhân tạo trong nốt sần người ta thường gặp thể giả khuẩn có kích thước lớn hơn, thường phân nhánh chứa nhiều glicogen, volutin và lipoprotein hơn.
• Khi sống tự do ngoài đất thường có hình que và khả năng chuyển động, khi xâm nhập vào rễ và đặc biệt là khi xâm nhiễm vào tế bào xâm nhiễm, chúng phình to ra và có dạng hình cầu.
• Có kích thước 0,5 – 0,9 x 1,2 – 3µm , di động nhờ tiên mao thường chứa hạt poly – ß – hydroxybutyrat, không sinh bào tử, gram âm. Vi khuẩn có loại đơn mao, có loại chu mao và cũng có loại tiên mao thành chùm ở gần đầu.

          b. Đặc tính:

• Vi khuẩn nốt sần có khả năng đồng hóa nhiều nguồn cacbon khác nhau (đường đơn, đường kép, axit hữu cơ, rượu bậc thấp, dextrin, glicogen…). Khoảng 30% lượng đường do vi khuẩn đồng hóa được dùng để tạo thành chất nhầy của chúng. Vi khuẩn nốt sần có thể đồng hóa tốt nhiều loại axit amin, có thể đồng hóa cả pepton. Khả năng sử dụng các protein phân tử lớn nói chung là rất ít. Ngược lại, vi khuẩn nốt sần có thể sử dụng dễ dàng các muối amon, nitrat và gốc kiềm purin, pỉimidin. Chúng còn có thể sử dụng được cả ure hoặc biure.
• Một đặc tính quan trọng của vi khuẩn nốt sần là tính đặc hiệu của chúng tức là hoạt tính đồng hóa Nitơ khi cộng sinh với cây bộ Đậu. Sự tồn tại trong thiên nhiên các nòi vi khuẩn nốt sần hữu hiệu và vô hiệu đã được phát hiện từ năm 1904.

          * Khả năng tạo nên nốt sần:

• Vi khuẩn nốt sần hữu hiệu thường tạo nên những nốt sần lớn tập trung trên rễ cái của cây đậu. Còn vi khuẩn vô hiệu thì thường tạo nên những nốt sần nhỏ phân tán khắp bộ rễ. Nhiều nghiên cứu cho biết nốt sần tạo nên bởi các vi khuẩn hữu hiệu thường có màu hồng. Sắc tố hồng thuộc loại hemin và gọi là leghemoglobin. Sắc tố này thường tồn tại trong không bào của tế bào thực vật chứ không phải tồn tại trong tế bào vi khuẩn. Ở nhiều loại đậu trong mỗi gam nốt sần có chứa tới 1,09 – 3,25mg leghemoglobin. Leghemoglobin gồm có hai nhóm: nhóm hemin của leghemoglobin thì rất giống với hemoglobin của máu nhưng thành phần protein của leghemoglobin thì rõ ràng là có cấu trúc phức tạp hơn nhiều. Khi đã kết thúc quá trình cố định nitơ, người ta nhận thấy màu hồng ở nốt sần sẽ chuyển thành màu lục. Khi đó, một số dây nối metin ở vòng pocphirin của sắc tố bị rách ra và liên kết oxi, hiện tượng này xảy ra ở cây đậu một năm đối với cây đậu nhiều năm hiện tượng này thường không xảy ra. Rất nhiều nghiên cứu cho phép khẳng định được rằng leghemoglobin đóng vai trò xúc tác trong quá trình có định nitơ phân tử.
• Vi khuẩn nốt sần thường xâm nhập vào rễ cây bộ Đậu thông qua các lông hút đôi khi thông qua vết thương ở vỏ rễ. Một loại cây thuộc Bộ Đậu thường tiết ra chung quanh rễ của mình những chát có tác dụng kích thích sự phát triển của các vi khuẩn nốt sần tương ứng với nhóm cây đó. Do đó mỗi loại cây họ đậu có một loại vi khuẩn Rhizobium tương ứng và chỉ có thể sống được trên rễ của cây họ đậu đó mà thôi.
• Điều này bằng thực nghiệm là do đặc tính dẫn dụ đối với bộ rễ và vi khuẩn tương ứng.   
• Khi sinh trưởng rễ cây bộ đậu hình thành nên hợp chất gần giống axit hữu cơ kích thích và lôi cuốn vi khuẩn đó.

{-- xem đầy đủ nội dung ở phần xem online hoặc tải về --}

Trên đây là một phần trích đoạn nội dung Lý thuyết các nhóm vi sinh vật chuyển hóa nito. Để xem toàn bộ nội dung các em chọn chức năng xem online hoặc đăng nhập vào trang hoc247.net để tải tài liệu về máy tính.