Tài liệu

Khả năng của vi sinh vật phân hủy một số nhóm chất

Science and Technology

Sự phân hủy các chất tự nhiên

Các chất hữu cơ sơ cấp - do thực vật tổng hợp từ CO2 liên tục hàng triệu năm nay, và các chất hữu cơ thứ cấp bắt nguồn từ đó, luôn luôn được phân huỷ song song và gần như cân bằng với sự tạo ra chúng, nên không bị tích tụ trên trái đất. Chỉ một phần nhỏ của sinh khối thực vật còn được giữ lại dưới dạng các hợp chất cacbon có tính khử mạnh như dầu mỏ, khí mỏ và than đá, trong điều kiện kị khí. Còn trong điều kiện có không khí thì mọi chất được các cơ thể sống tổng hợp nên đều có khả năng bị phân huỷ nhờ vi sinh vật.

Mỗi chất hữu cơ đều bị một nhóm vi sinh vật tương ứng phân huỷ một phần hay toàn bộ, các sản phẩm phân huỷ này lại được các loài khác phân huỷ tiếp, cứ như thế đến tận các chất vô cơ. Như vậy vật chất luôn luôn được tuần hoàn bởi hai loại quá trình đối lập nhau: sự tổng hợp chất hữu cơ từ chất vô cơ, và phân huỷ chất hữu cơ thành chất vô cơ. Các quá trình phân huỷ này chủ yếu do vi sinh vật thực hiện, ở bất kỳ đâu có sự hiện diện của chúng: trong đất, trong nước, trong cơ thể các sinh vật khác. Riêng trong đất, sự phân huỷ chất hữu cơ rơi vào đó do nhiều nhóm vi sinh vật và nhiều động vật nhỏ tham gia, tạo thành các mạng lưới dinh dưỡng. Sinh khối của các nhóm vi sinh vật và động vật này trong đất được thể hiện ở hình sau

Sinh khối của các nhóm cơ thể tham gia phân huỷ các chất hữu cơ trong đất, tính gần đúng

Vi sinh vật phân huỷ các chất hữu cơ tự nhiên để thu nhận vật chất (nguồn cacbon, nguồn nitơ,…) và năng lượng, cho sinh trưởng của chúng. Trải qua quá trình tiến hoá nhiều tỷ năm, chúng đã hoàn thiện được nhiều con đường phân huỷ đối với nhiều loại chất khác nhau. Kết quả là ngày nay, không có một chất tự nhiên hữu cơ nào không bị vi sinh vật phân huỷ. Và chính vì thế, các chất tự nhiên ấy luôn tuần hoàn.

Sự phân huỷ các chất phi tự nhiên

Với những chất lạ (xenobiotics) thì tình huống có khác. Đây là những chất tổng hợp hóa học do nền văn minh hiện đại của con người tạo nên, vốn không có trong tự nhiên trước đó. Có thể tạm xếp chúng thành một vài nhóm theo công dụng như: Các chất diệt hại, các chất tẩy rửa, và các chất dẻo hoá học.

- Các chất diệt hại (pesticides) bao gồm:

  • Chất diệt sâu hại (insecticides)
  • Chất diệt cỏ (herbicides)
  • Chất diệt nấm (fungicides),v.v…

Hơn 1000 pesticides đã được tung ra thị trường trong cuộc đấu tranh với sinh vật hại để giành thu hoạch nông nghiệp.

- Các pesticide rất đa dạng về hoá học, như:

  • Các axit clorophemoxyalkyl cacboxylic
  • Các ure được thay thế gốc
  • Các nitrophenol
  • Các triazin
  • Các phenylcacbonat
  • Các chất hữu cơ chứa clo hoặc photpho,.v.v..

Công thức hoá học của một số chất hoá học này được nêu trong các hình dưới đây.

Một vài chất lạ (xenobiotics).

Ở một phần trên đây, chúng ta đã nói rằng chất lạ là những chất được tổng hợp hoá học mà trước đó chưa bao giờ tồn tại một cách tự nhiên. Do vậy, những cơ thể có khả năng sử dụng chúng có thể không tồn tại trong thiên nhiên. Tuy nhiên, một số vi sinh vật tự nhiên hoặc một số vi sinh vật được cải biến di truyền có thể phân hủy chúng.

Chỉ một số pesticide được một vi sinh vật đất sử dụng làm nguồn cacbon và nguồn điện tử, khi ấy chúng bị phân huỷ và rốt cuộc sẽ biến mất khỏi đất. Tuy nhiên, các chất rất giống nhau vẫn có thể bị phân huỷ một cách khác nhau, như được nêu trong bảng 17.7. Dù sao thì bức tranh này cũng chỉ gần đúng, bởi vì hàng loạt nhân tố môi trường như nhiệt độ, pH, sự thông khí, hàm lượng chất hữu cơ trong đất, v..v.. đều ảnh hưởng đến sự phân huỷ.

Một vài thuốc trừ sâu có gốc clo đã tồn đọng trên 10 năm. Sự biến mất của pesticide khỏi một hệ sinh thái không nhất thiết có nghĩa rằng nó đã bị vi sinh vật phân huỷ, mà nó có thể là do sự bay hơi, sự chắt lọc (leaching) hoặc đồng thời bị phân huỷ hoá học.

Thời gian biến mất khỏi đất của một số chất diệt cỏ và chất trừ sâu
Chất Thời gian để biến mất 75-100%
Các thuốc trừ sâu có gốc clo
DDT [1,1,1 - tricloro - 2,2 - bis - (p - clorophnyl) etan] 4 năm
Aldrin 3 năm
Clodan 5 năm
Heptaclo 2 năm
Lindan (Hexacloroxyclohoxan) 3 năm
Các chất diệt cỏ có gốc photphat hữu cơ
Diazinon 12 tuần
Malation 1 tuần
Paration 1 tuần
Các chất diệt cỏ
2,4 - D (axit 2,4 - dicloro - phenoxyaxetic ) 4 tuần
2,4,5 - T (axit 2,4,5 - tricloro - phenoxy - axetic) 20 tuần
Dalapin 8 tuần
Atrazin 40 tuần
Simazin 48 tuần
Propazin 1,5 năm

Các chất tẩy rửa (không kể xà phòng), là những chất hữu cơ có tác dụng như một tác nhân làm ẩm ướt, và như một chất nhũ hoá, thường được dùng để làm sạch đồ vật, và một số chất có thể được dùng như những tác nhân kháng vi sinh vật.

Công dụng trên đây của các chất tẩy rửa là do chúng có cả đầu phân cực ưa nước và đầu không phân cực kỵ nước. Do bản chất lưỡng tính này mà chúng hoà tan các gốc không tan, và có tác dụng tẩy rửa rất tốt. Chúng khác hẳn xà phòng là các dẫn xuất của mỡ.

Các chất tẩy rửa được dùng phổ biến nhất như những chất tẩy uế (tẩy trùng) là những chất tẩy rửa cationic, thuộc nhóm các hợp chất amôn bậc bốn, trong đó có một nguyên tử nitơ bậc bốn mang điện tích dương và một chuỗi béo kị nước (hình dưới). Chúng phá huỷ các màng tế bào vi sinh vật và có thể làm biến tính các protein.

Một số chất tẩy uế và chất tẩy trùng.

- Các chất dẻo hoá học, được dùng trong chế tạo nhiều loại đồ vật, do dễ gia công ở trạng thái lỏng.

Một ví dụ điển hình về chất dẻo là polyvinyl clorit (H2CCHCl)x, đó là một polyme của vinyl clorit, không mùi vị, không hoà tan trong hầu hết dung môi hữu cơ, và là một chất trong họ của các nhựa vinyl. Nó được dùng để chế tạo các màng mỏng làm vật liệu bao gói thực phẩm và sản xuát các sản phẩm cứng bằng cách đúc, như các ống dẫn, các vật liệu dạng sợi, các vật liệu bao gói, lông bàn chải, v.v...

Các chất lạ thuộc cả ba nhóm này rất khó hoặc không bị vi sinh vật phân huỷ, ít ra cũng có thể nhận định như vậy sau những quan sát và thí nghiệm kéo dài nhiều năm (bảng 17.7). Khi được tích kuỹ trong đất, các chất thuộc hai nhóm đầu có thể làm hỏng cấu trúc của đất và ngấm vào nước bề măt cũng như nước ngầm, gây tác hại lâu dài. Còn về phần các chất dẻo hoá học, khi tích luỹ trong đất và trên bề mặt đất, chúng choán chỗ rất nhiều, cản trở việc sử dụng đất vào nhiều mục đích khác nhau.

Một số chất lạ thường không được một vi sinh vật nào đó sử dụng làm nguồn cacbon và năng lượng. Tuy nhiên, nếu vi sinh vật ấy được cung cấp một chất hữu cơ dễ sử dụng như glucose hoặc cenllulose, thì chất bền vững nói trên sẽ bị phân hủy. Hiện tượng này được gọi là đồng trao đổi chất (cometabolism).

Vì các chất lạ không tồn tại trong tự nhiên trước khi con người phát minh ra chúng nên nói chung có thể không tồn tại một vi sinh vật có khả năng phân huỷ một chất lạ nào đó . Tuy vậy vẫn có thể tồn tại một số vi sinh vật như vậy, thường với số lượng tế bào rất ít mà bằng các kỹ thuật thông thường khó lòng phân lập được. Ngoài ra có thể tạo ra vi sinh vật như vậy bằng thực nghiệm.

Từ nguyên lý đến kỹ thuật: PHÂN LẬP CÁC VI SINH VẬTHIẾM GẶP TRONG TỰ NHIÊN

Những vi sinh vật có khả năng phân huỷ các chất lạ thường có mặt với số lượng rất ít trong mẫu vật. Khi ấy phải có những kỹ thuật phù hợp mới có thể phân lập được chúng. Thường thì phải làm giàu (tích luỹ) chúng trên một môi trường chọn lọc, hoặc môi trường phân biệt, ngay trước khi phân lập.

Các môi trường chọn lọc tạo điều kiện sinh trưởng chỉ cho một nhóm vi sinh vật nào đó. Chẳng hạn, để phân lập vi sinh vật phân huỷ chất diệt cỏ 2,4 - diclorophenoxyacetic axit (2,4-D), người ta cấy đất vào một môi trường lỏng chứa chất này làm nguồn cacbon duy nhất, và chứa các nguồn dinh dưỡng thiết yếu khác. Khi ấy chỉ những vi khuẩn có khả năng phân huỷ 2,4-D mới sinh trưởng được. Sau đó, cấy chuyển một phần của dịch nuôi này vào một bình môi trường lỏng, tươi (chưa sử dụng), có cùng thành phần để làm giàu hơn nữa nhóm vi sinh vật cần phân lập. Lập lại thao tác này một vài lần. Sau đó cấy hỗn hợp cuối cùng lên môi trường thạch đĩa chứa 2,4-D là nguồn cacbon duy nhất. Chỉ riêng những vi khuẩn sinh trưởng được trên 2,4-D mới tạo thành các lạc khuẩn nhìn thấy được, và chúng được cấy chuyển thành chủng thuần khiết.

Phương pháp làm giàu theo kiểu như trên được dùng để phân lập và thuần khiết, nhiều loại vi sinh vật, dựa trên việc tạo điều kiện cho một hoạt tính sinh lý riêng biệt nào đó. Kỹ thuật nuôi làm giàu (tích luỹ) và việc sử dụng các môi trường chọn lọc đã được M.W.Beijerinck và Winogradsky khởi xướng từ cuối thế kỷ 19.

Tuy nhiên, kỹ thuật nuôi tích luỹ đôi khi không thành công, không phát hiện được một vi sinh vật có khả năng phân huỷ một chất nào đó (chất lạ hoặc chất tự nhiên) trong môi trường chọn lọc đã dùng để phân lập nó. Nguyên nhân là:

Vi sinh vật ấy cần một nhân tố sinh trưởng nào đó mà chúng ta chưa biết nên không cho vào môi trường chọn lọc.

Trong các môi trường lỏng dùng để nuôi tích luỹ, chỉ những cơ thể sinh trưởng nhanh nhất trong các điều kiện đã cho mới hiện diện trước sự quan sát của chúng ta. Vì thế chúng ta vẫn luôn nghi ngờ, liệu chúng có phải là đại diện thực sự của các cơ thể mà trong tự nhiên dường như thực hiện quá trình phân huỷ mà chúng ta quan tâm, hay không? Nghĩa là, trong các môi trường chọn lọc – tích luỹ đó, với những điều kiện đã cho, các cơ thể với những đặc điểm sinh trưởng khác có thể đã bị bỏ qua, không được biết tới.

Phân huỷ kị khí và phân huỷ hiếu khí

Một phần nhỏ sinh khối được phân huỷ theo kiểu kị khí, còn phần lớn hơn-thì theo kiểu hiếu khí.

Các hệ sinh thái kị khí bao gồm:

  • Tầng lắng đọng của các thuỷ vực nước lặng
  • Các ruộng lúa nước
  • Các đầm lầy và đồng rêu
  • Các đất ẩm ướt, tù đọng
  • Các bộ phận làm mục nát trong các thiết bị xử lý nước thải
  • Đường ruột của mọi động vật.

Một chất nào đó có thể bị phân huỷ kị khí bởi các nhóm sinh vật kế tiếp nhau trong một “chuỗi dinh dưỡng kị khí” (xem hình).

Chuỗi dinh dưỡng kị khí.

Mối quan hệ giữa các cơ thể tham gia chuỗi ấy có thể là:

  • Cộng sinh
  • Trợ dưỡng
  • Vận chuyển hydro từ loài này sang loài khác
  • Hợp tác trao đổi chất

Tham gia vào những chuyển hoá kị khí hầu như chỉ có vi khuẩn mà thôi.

Trong khi đó tham gia vào quá trình phân huỷ hiếu khí thì có cả các cơ thể procaryot và eucaryot, và bọn thứ hai chiếm ưu thế, cả về số lượng cơ thể tham gia cũng như lượng sinh khối được chuyển hoá. Vì thế dòng phân huỷ hiếu khí phân nhánh rất nhiều so với chuỗi dinh dưỡng kị khí, đến nỗi chúng ta có thể gọi đó là “mạng lưới dinh dưỡng hiếu khí”. Trong mạng lưới này, các động vật nhỏ – chủ yếu là động vật không xương sống như giun, thân mềm, côn trùng và ấu trùng của chúng – chiếm một không gian rộng lớn. Nhưng chúng ta cần nhớ lại rằng trong đường ruột của động vật luôn có các vi sinh vật tham gia vào sự chế biến dinh dưỡng, ít nhất là vào sự chuyển hoá các chất dạng sợi (lignoxenluloz và xenluloz) vốn chiếm hơn nửa sinh khối sơ cấp .

Cho tới nay hầu như có rất ít nghiên cứu về diễn biến sinh hoá và động thái của cộng đồng vi sinh vật trong ruột của động vật tham gia phân huỷ sinh khối, ngoại trừ mối là một trường hợp ngoại lệ. Các nghiên cứu về sinh hoá học và vi sinh vật học của những gì diễn ra trong ruột mối đã gây sự kinh ngạc cả về tác dụng cũng như tác hại của chúng. Tác hại ghê gớm của mối dối với các công trình và đồ vật bằng gỗ thì ai cũng biết tới. Tuy nhiên, cần nhớ răng mối gây tác hại đó là nhờ quan hệ hỗ sinh (mutualism) của nó với các vi sinh vật là động vật nguyên sinh. Trong hình dưới là hình ảnh của mối phá gỗ, Reticulitermes, mà trong ruột của nó có các động vật nguyên sinh với nhiều tiên mao, Trichonympha. Mối nuốt các hạt gỗ vụn vào ruột, tại đó các động vật nguyên sinh bao bọc lấy chúng, phân huỷ xenluloz trong đó nhờ các enzym xunlulaz, tạo thành axetat và các sản phẩm khác để mối sẽ oxi hoá. Nhờ vậy mà mối có thể dủng gỗ như một nguồn dinh dưỡng. Từ các nghiên cứu này người ta mới thấy rằng thực ra chúng ta biết về quá trình phân huỷ hiếu khí sinh khối sơ cấp ít hơn chúng ta vẫn tưởng.

a) Mối phá gỗ thuộc chi Reticulitermes (x10). b) Động vật nguyên sinh nhiều tiên mao, thuộc chi Trichonympha sống hỗ sinh trong ruột mối nói trên, giúp mối sử dụng gỗ như một nguồn thức ăn

Cellulose

Cellulose là hợp phần cơ sở của sinh khối thực vật, được tạo thành nhiều hơn tất cả các chất tự nhiên khác cộng lại và chiếm khoảng một nửa sinh khối do quang hợp tạo thành. Xác thực vật nằm lại trong đất và rơi trở lại đất trung bình chứa 45%, riêng ở cây bông là 90% cellulose. Vì thế bên cạnh CO2, cellulose cũng chiếm một vị thế trung tâm trong vòng tuần hoàn của cacbon.

Sụ phân huỷ bằng enzym đối với cellulose được thực hiện bởi một hệ các enzym cellulase, dẫn đến sự tạo thành xenlobioz và glucoz. Nhiều nấm đảm và một số ít vi khuẩn có các enzym này. Đó là một số vi khuẩn di động theo kiểu trượt, các vi khuẩn cộng sinh với động vật, các Clostridium, và các xạ khuẩn Micromonospor.

Trong số vi khuẩn di động theo kiểu trượt có thể kể: CytophagaSporocytophaga, là những vi khuẩn hiếu khí phân huỷ mạnh mẽ nhiều polisaccarit, trong đó có cellulose. Chuyển động theo kiểu trượt mang lại cho các vi khuẩn này nhiều lợi thế để phân huỷ những cơ chất không tan như cellulose: nhiều enzym phân huỷ ở trạng thái gắn với tế bào, mà vi khuẩn thì phải tiếp xúc với những nguồn dinh dưỡng không tan nói trên, và chuyển động trượt giúp chúng điều đó. Chuyển động trượt là rất thích hợp ở những nơi sống khô.

Ngoài ra, các vi khuẩn chuyển động trượt, giống như những vi khuẩn có tiêm mao, có thể tự định vị mình ở những nơi có điêu kiện tối ưu về cường độ ánh sáng, về ôxy, H2S, nhiệt độ, và về những nhân tố khác có ảnh hưởng đến sự sống sót và sinh trưởng của chúng.

Về các vi khuẩn cộng sinh với động vật và có khả năng phân huỷ cellulose, người ta đã biết đến những vi khuẩn, cộng sinh với động vật thân mềm (Lyrodus pedicellatus). Vi khuẩn này có vai trò với động vật ở chỗ vừa phân huỷ cellulose, vừa cố định nitơ. Nhiều vi khuẩn khác cộng sinh trong dạ cỏ của động vật nhai lại và phân huỷ cellulose tại đây, trong điều kiện kị khí. Một số khác cộng sinh trong ruột mối, khiến mối có thể sử dụng cellulose trong gỗ làm thức ăn.

Ở nấm, hệ cellulase có ít nhất ba enzym:

  • Các endo - β - 1,4 - glucanaz tấn công đồng thời các liên kết β - 1,4 bên trong đại phân tử và tạo thành các đoạn dài có các đầu tự do.
  • Các exo - β - 1,4 - glucanaz tách từng disaccarit xenlobioz từ phía đầu chuỗi.
  • Các β - glucosidaz thuỷ phân xenlobioz với sự tạo thành glucoz.

Sự điều chỉnh tổng hợp các cellulase

Quá trình tổng hợp enzym này có thể được điều chỉnh nhờ sự kiềm chế dị hoá (catabolite repression) cũng như nhờ sự cảm ứng bằng cơ chất (substrate induction) thông qua xenlobioz, trong đó một lượng hỏ cellulase đã tồn tại từ trước do sự tổng hợp theo kiểu kiến trúc. Vậy thì nồng độ nào có tác dụng cảm ứng hoặc kiềm chế, điều đó phụ thuộc vào loại vi sinh vật. Nói chung, những nồng đọ nhỏ của xenlobioz cảm ứng sự tổng hợp enzym, còn những nồng độ cao thì kiềm chế.

Ngoài ra, xenlobioz là một chất ức chế cạnh tranh ở múc độ protein. Bản thân cellulose, vì không tan trong nước nên không có tác dụng trực tiếp đến sự tổng hợp enzym mà chỉ có tác dụng gián tiếp thông qua xenlobioz được giải phóng từ cellulose. Điều đó giải thích tác dụng cảm ứng của cellulose tinh thể.

Sự phân huỷ cellulose trong điều kiện hiếu khí

Trong các đất được thông khí tốt, cellulose bị phân huỷ bởi vi sinh vật hiếu khí (nấm, vi khuẩn nhày và các vi khuẩn thật khác), còn trong điều kiện kị khí thì nhờ một số nấm kị khí, vi khuẩn và động vật nguyên sinh (xem bảng).

Các vi sinh vật phân huỷ cellulose. Ghi chú: a: Sinh trưởng hiếu khí; b: Sinh trưởng kị khí.
Các procaryot Các eucaryot
Cytophaga a Aspergilus fumigatus a
Sporocytophaga a A. nidulans a
Archangium, Sorangium a Botrytis cinerea a
Polyangium a Chaetomium globosum a
Pseudomonas fluorescensvar. cellulosa a Fusarium a
Cellulomonas fimi a Myrothecium verrucaria a
Các Streptomycete a Trichoderma viride a
Cellvibrio flavescens a T. reesei a
Clostridium thermocellum b Rhizoctonia solani a
C. cellobioparum b Neocallimastix frontalis b
Ruminococcus albus,R. flavefaciens b Neocallimastix frontalis b
Bacterodes succinogenes b Diplodinium b
Butyrivibrio fibrisolvens b Entodinium b
Eubacterium cellulosolvens b Entodinium b

Nấm góp phần chủ yếu vào sự phân huỷ cellulose trong điều kiện thoáng khí. Chúng đặc biệt ưu thế hơn vi khuẩn trong các đất chua và trong sự phân huỷ cellulose có lẫn lignin. Các loại thuộc các chi FusariumChaetomium đóng vai trò to lớn. Ngoài ra còn có các loài khác như: Aspergillus fumigatus, A. nidulans, Botritis cinerea, Rhizoctonia solani, Trichoderma viride, Chaetomium globosum, Myrothecium verrucaria.

CytophagaSporocytophaga là những vi khuẩn phân huỷ hiếu khí cellulose có thể được phân lập dễ dàng nhất theo kỹ thuật tích luỹ thông thường trong các dung dịch dinh dưỡng lỏng. Trong số những chi tương tự vi khuẩn nhày (Myxobacteria) này có thể phân biệt ra nhiều loài. Người ta còn biết ít về việc sử dụng và phân huỷ mở đầu đối với cellulose nhờ các vi khuẩn nhày. Một cellulase ngoại bào hoặc các sản phẩm phân huỷ cellulose không bao giờ được phát hiện thấy. Các tế bào vi khuẩn dính chặt vào sợi cellulose, và có lẽ chúng hấp thụ các sản phẩm thuỷ phân ngay lập tức. Trong số cá loài vi khuẩn nhày tạo thể quả thuộc các chi Polyangium, Archangium, Sorangium thì nhiều loài có khả năng sinh trưởng trên cellulose.

Khả năng sinh trưởng trên cellulose có lẽ cũng phổ biến ở nhiều vi khuẩn hiếu khí, bọn này hầu như có thể được gọi là “tạp dưỡng”. Một số hình như chỉ tấn công cellulose khi không có những nguồn cacbon khác. Một số vi khuẩn giống với Pseudomonas trước đây đã được gộp vào chi Cellvibrio. Gần đây người ta gọi chúng là Pseudomonas fluorescens var. cellulosa. Trong số xạ khuẩn thì chỉ có ít loài phân huỷ cellulose đã được mô tả: Micromonospora chalcea, Streptomyces cellulosae, Stretosprorangium.

Sự phân huỷ cellulose trong điều kiện kị khí

Trong điều kiên kị khí thì cellulose bị phân huỷ bởi các vi khuẩn thật, ưa ấm và ưa nhiệt, cũng như bởi một số nấm và động vật nguyên sinh. Clostridium thermocellum ưa nhiệt sinh trưởng được trong các dung dịch dinh dưỡng tổng hợp đơn giản với cellulose hoặc xenlobioz làm nguồn cacbon và các muối amôn làm nguồn nitơ. Glucoz và nhiều đường khác không được biến đổi. Cũng như có thể thấy ở nhiều vi khuẩn phân huỷ kị khí cellulose khác, trước khi xảy ra sự phân huỷ cellulose, vi khuẩn này tiết ra một chất giống như carotinoit màu vàng, có tác dụng nâng cao ái lực của enzym phân huỷ cellulose với cơ chất của nó. Do sự nhuốm màu vàng của cellulose mà sự phân huỷ nó, một khi xảy ra, sẽ dễ dàng được nhận biết. Phức hệ nhiều enzym đã nhắc tới trên đây của loài C. thermocellum được gắn trong những cấu trúc có tên là xenlulosom, có trọng lượng phân tử khoảng nhiều triệu. Các sản phẩm của sự lên men cellulose là: etanol, axetat, formeat, lactat, hydro phân tử, và cacbon dioxit. Cellulose bị phân huỷ ngoại bào tới glucoz. Quá trình lên men cellulose nhờ Clostridiumcellobioparum ưa ấm dẫn tới những sản phẩm lên men giống như vậy. Trực khuẩn dài đã được quen biết dưới tên gọi Bacillus cellulosae-dissolvens dính rất chặt vào các sợi cellulose giống như các Cytophaga và không tiết cellulase vào môi trường.

Những biến đổi vi sinh vật học trong dạ cỏ

Trong dạ cỏ thì cellulose bị phân huỷ nhờ vi khuẩn kị khí, nấm và động vật nguyên sinh. Nguồn cacbohydrat chủ yếu của động vật nhai lại là cỏ khô, rơm rạ và cỏ. Cỏ khô gồm khoảng 50% fructosan và xylan, phần còn lại là cellulose. Phần cellulose của thưc ăn gia súc sẽ là không sử dụng được, nếu ở các động vật nhai lại trong quá trình tiến hoá đã không xuất hiện một quan hệ cộng sinh với vi sinh vật mà một số trong chúng có khả năng phân huỷ cellulose (hình dưới).

Sơ đồ những biến đổi nhờ vi sinh vật trong dạ cỏ của động vật nhai lại. 1. Dạ cỏ, 2. Dạ tổ ong, 3. Dạ lá, 4. Dạ múi khế.

Hai phần đầu của dạ dày động vật nhai lại, tức dạ cỏ và dạ tổ ong, là một buồng lên men lớn với dung tích 100-150 lít, trong đó có những điều kiện lý tưởng cho sinh trưởng của nhiều vi sinh vật. Động vật tạo ra cho sự công sinh này: một nhiệt độ ổn định từ 37 đến 390C, dòng vào liên tục của một dung dịch khoáng (100-200 lít nước bọt mỗi ngày) được đệm tốt bởi bicacbonat và photphat (pH 5,8 đến 7,3), một dòng vào định kỳ của các chất dinh dưỡng ở dạng thức ăn chứa cellulose được nghiền kỹ, và một sự khuấy trộn cơ học nhờ sự co bóp dạ cỏ. Như vậy, dạ cỏ giống một hệ thống nuôi bán liên tục đối với các vi sinh vật trong đó.

Trong số vi sinh vật dạ cỏ của dạ cỏ thì chiếm ưu thế là các động vật nguyên sinh và vi khuẩn. Trong 1 ml chất chứa trong dạ cỏ có 105 động vật nguyên sinh, đa số là các Ciliata thuộc các chi Diplodinium Endodinium. Đó là những chi đặc biệt, ít phổ biến ở bên ngoài dạ cỏ. Tỉ lệ trọng lượng của chúng so với các chất chứa trong dạ cỏ là từ 5 đến 10%, trong đó một phần là các polysaccarit dự trữ. Trong dạ cỏ chúng có thể không có vai trò thiết yếu.

Những thể định cư trong dạ cỏ quan trọng nhất về chức năng là các vi khuẩn, chúng có tới 1011 tế bào trong một ml dịch dạ cỏ và làm thành 5-10% khối lượng khô của chất chứa trong dạ cỏ. Những vi khuẩn đặc trưng cho dạ cỏ thì kị khí nghiêm ngặt hoàn toàn.

Vi khuẩn phân huỷ cacbohydrat của thức ăn gia súc thành các chất đơn giản như các axit béo và các amôn. Từ cellulose, tinh bột, fructoz, và xylan thường hay tạo thành các axit béo. Theo những đo lường về cân bằng thì 90% cellulose hấp thụ bị phân huỷ. Khi ấy xuất hiện một lượng lớn axit mà tỉ lệ % của chúng trong tổng lượng axit là như sau: Axetat (sản phẩm chính) 50-70% (w/w), propionat 17-21%, butyrat 14-20%, valerat và formiat được tạo thành chỉ với lượng nhỏ. Ngoài ra, hàng ngày còn tạo thành 900 lít khí, tỉ lệ khối lượng (v/v) của chúng là khoảng 65% CO2, 27% CH4, 7% N2, 0,18% H2, và các vết H2S. Vì các vi khuẩn phân huỷ cellulose được phân lập từ dạ cỏ trong những năm gần đây cũng lên men trong điều kiện phòng thí nghiệm và tạo thành các axit với cùng các tỉ lệ như trong dạ cỏ, nên có ý kiến cho rằng các axit trong dạ cỏ được hình thành trong sự phân huỷ cellulose nhờ vi khuẩn.

Có khả năng phân huỷ cellulose trong dạ cỏ là Ruminococcus albusR. flavefaciens; các cầu khuẩn gram âm; Fibrobacter succinogenes (một trực khuẩn gram âm không di động và đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo thành axetat và succinat); Butyrivibrio fibrisolvens; Clostridium cellobioparum.

Sự vắng mặt của lactat trong dạ cỏ là do sự có mặt của Veillonella alcalescens (=Micrococcus lactilyticus), bọn này lên men lactat thành propionat, axetat, H2, và CO2. Trong sự phân huỷ cellulose không hình thành metan, nó có nguồn gốc thứ cấp và được tạo thành từ các axit béo cũng như từ H2 và CO2 (trang.......). Sự tạo thành H2S trong dạ cỏ là do sự khử sulfat bởi Desulfotamaculum ruminis. Celenomonas ruminantium (hình b) lên men glucoz thành lactat, axetat, và propionat. Trong số nấm kị khí sống trong dạ cỏ thì Neocallimastix frontalis (Chytridiomycet) được nghiên cứu kỹ nhất. Nó phân huỷ cellulose tói glucoz và lên men glucoz tới axetat, formiat, etanol, lactat, CO2, và H2.

Thức ăn của động vật nhai lại ở nơi sống của chúng trên các savan và thảo nguyên thì rất nghèo nitơ và nghèo protein. Vì thế, để bảo đảm quá trình tổng hợp protein nhờ sự cộng sinh trong dạ cỏ,ở động vật nhai lại đã hình thành một chu trình đầy ý nghĩa, “sự tuần hoàn nghiền nát gan”. Urê được tổng hợp ở gan dưới hình thức khử độc của amôn chỉ được bài tiết từng phần cùng với nước tiểu, một phần urê đi tới các dạ dày trước nhờ sự tiết qua tuyến nước bọt và đi qua thành dạ cỏ, do vậy được trở thành hữu ích cho sự tổng hợp protein nhờ khu hệ vi sinh vật của dạ cỏ (xem hình). Trên cơ sở của sự cộng sinh với khu hệ vi sinh vật trong dạ cỏ mà động vật nhai lại không phụ thuộc vào protein.

Vi khuẩn góp phần vào dinh dưỡng của động vật nhai lại theo cách kép: Các axit được hình thành trong sự phân huỷ polysaccarit được tái hấp thụ ở dạ cỏ. Sinh khối của vi khuẩn được phân huỷ ở ruột trong sự vận chuyển tiếp chất chứa trong dạ cỏ và cũng được tái hập thụ. Tham gia vào sự phân huỷ vi khuẩn là các lisozim do biểu mô của dạ múi khế tiết ra. Vì các vi khuẩn sinh trưởng trong dạ cỏ cũng sử dụng các nguồn nitơ vô cơ nên thu nhập protein cho động vật được tăng lên đáng kể.

Phân hủy xylan

Đây là một cacbohydrat phổ biến và chiếm khối lượng thứ nhì trong tự nhiên, sau cellulose. Khối lượng của nó trong các nguyên liệu thực vật là như sau: Rơm rạ và libe - 30%, bã mía - 30%, gỗ cây thuộc bộ tùng bách - từ 7 đến 12%, và gỗ cây lá bản - từ 20 đến 25% (w/w).

Xylan là những cacbohydrat và cũng được coi là các hemicellulose. Chúng không giống với cellulose về phương diện các viên gạch cấu trúc và cả về cấu trúc nữa, nhưng ít ra cũng tan một phần trong nước hoặc trong kiềm. Các hemicellulose được cấu tạo từ các pentoz (xyloz, arabinoz), hặoc từ các hexoz (glucoz, maltoz, galactoz), cũng như từ axit uronic. Trong thực vật chúng đóng vai trò là các chất dự trữ hoặc các bảo vệ, Thuật ngữ các hemicellulose được đưa ra sau khi một loạt các polysaccarit tương tự được tìm thấy ở nấm và vi khuẩn

Chuỗi xylan bao gồm các β - D - Xyloz liên kết theo kiểu 1,4 - glucosit. Về mặt hình thức, chúng xuất hiện từ một chuỗi cellulose, do sự thay thế các nhóm CH2OH bằng các nguyên tử hydro. Tuy nhiên, mức độ trùng hợp của chúng là nhỏ hơn nhiều (30-100). Một số xylan còn chứa thêm arabinoz, glucoz, galactoz, và glucuronat. Như vậy chúng có cấu tạo phức tạp, và khác với cellulose, chúng phân nhánh mạnh.

Xylan được phân huỷ nhanh hơn và được nhiều vi sinh vật phân huỷ hơn so với cellulose. Nhiều trong số các vi sinh vật phân huỷ cellulose cũng sản sinh xylanaz. Ngay cả Sporocytophaga mixococcoides (bọn này chỉ phân huỷ cellulose trong sự tiếp xúc chặt chẽ với các sợi đó), và Neocallimastix, cũng bài tiết xylanaz. Những cơ thể nào là bọn đầu tiên tấn công xylan trong đất là vấn đề phụ thuộc vào các nhân tố môi trường: trong các đất chua thì nấm chiếm ưu thế, còn trong đất trung tính đến kiềm thì đó là các Bacillus, Sporocytophaga và các vi khuẩn khác. Ở các nấm thì khả năng sử dụng xylan là khá phổ biến. Ngay đối với nấm nuôi trồng thì xylan cũng là một cơ chất rất tốt.

Xylanaz được tạo thành bởi một số vi khuẩn (Clostridium) theo kiểu kiến trúc, còn bởi một số khác thì theo cơ chế cảm ứng nhờ xylan. Sản phẩm của sự tấn công của xylanaz vô bào lên xylan là xyloz, ngoài ra còn có xylobioz, và những mẩu gẫy dài hơn. Có lẽ enzym tiến công cùng một lúc vào nhiều vị trí dọc theo phân tử.

Phân hủy tinh bột và các glucan khác

Tinh bộtlà chất dự trữ chiếm ưu thế ở thực vật. Nói chung nó tồn tại ở dạng các hạt nhỏ có thể hình cầu, hình thấu kính hoặc hình trứng và có cấu trúc lớp rõ ràng. Tinh bột thực vật được cấu thành từ cả hai glucan là amiloz (15-27%)và amilopectin. Amiloz tan trong nước nóng mà không bị trương và tạo thành màu xanh đặc trưng với iot. Nó gồm những chuỗi không phân nhánh của D - glucoz. Các chuỗi đó được liên kết với nhau theo kiểu α - glucosit ở vị trí 1 - 4 và được cuốn hình ốc; mức độ trùng hợp là 200 - 5000. Amilopectin thì trương lên trong nước và khi được đun nóng thì tạo thành hồ, với iot thì cho màu tím đến màu nâu. Nó cũng là một poly - α - 1,4 - D - glucoz. Tuy nhiên, cũng như glucogen, nó phân nhánh ở vị trí 1,6. Ngoài ra nó còn chứa các gốc photphat và các ion magie và canxi. Các loại tinh bột có nguồn gốc khác nhau thì khác nhau đáng kể về sự phân nhánh, mức độ trùng hợp và các đặc tính khác.

Nhờ axit hoặc enzym mà tinh bột bị phân huỷ thành glucoz. Đã biết 3 kiểu phân huỷ bằng enzym đối với các glucan:

  • Photphorolyse
  • Thuỷ phân
  • Sự chuyển gốc glycosyl

Photphorolyse

Sự biến đổi tinh bột, glycogen và polysaccarit tương tự thành glucoz - 1 - photphat được xúc tác bởi các α - 1,4 - glucanphotphorylaz (các photphorylaz). Mặc dù phản ứng là thuận nghịch, có lẽ nó chỉ tham gia vào sự phân huỷ polysaccarit nội bào, mà không tham gia vào sự tổng hợp. Sự photphorolyse bắt đầu ở đầu tự do không khử của chuỗi amiloz và từ mỗi đầu ấy sẽ cho ra một glucoz - 1 - photphat tự do. Trong amilopectin thì sự photphorolyse dừng lại ở các điểm phân nhánh 1, 6 và lại tiếp tục sau khi amilo - 1,6 - glucosidaz đã tác dụng. Các photphorylaz đóng vai trò quyết định trong việc sử dụng lại và huy động các polysaccarit dự trữ nội bào (các glucan)

Sự thuỷ phân

Bên ngoài tế bào thì các polysaccarit bị phân huỷ bởi các amylaz theo kiểu thuỷ phân. α - amylaz phổ biến ở thực vật, động vật và vi sinh vật. Nó hoá lỏng tinh bột rất nhanh, tấn công vào nhiều liên kết α - 1,4 ngay cả bên trong đại phân tử cùng một lúc (vì thế cũng còn gọi là endoamylaz) và để lại, ngoài maltoz là các oligomer chứa khoảng 3-7 gốc glucoz. Do sự phá huỷ nhanh cấu trúc đại phân tử mà cả độ nhớt của dung dịch và sự tạo phức với iot (khả năng nhuộm màu với iot) cũng giảm nhanh, và các đường có thể lên men được (glucoz, maltoz, maltotrioz) xuất hiện chậm. Nếu bên cạnh α - amylaz còn có thêm một enzym tách đôi như pululanaz hoặc isoamylaz thì cả các α - dextrin cũng bị phân huỷ (hình dưới).

Các β - amylaz thường có ở thực vật (lúa mạch, lúa mì, vv...). Khác với α - amylaz, nó tấn công đại phân tử chỉ từ đầu không khử và tách ra maltoz. Như vậy, tác dụng của nó lên tinh bột dẫn tới sự đường hoá nhanh hơn, trong khi đó khả năng tạo màu với iot được duy trì lâu hơn. Sự phân huỷ dừng lại ở vị trí phân nhánh. Phần còn lại là β - dextrin giới hạn. Nếu đảm bảo cho sự tách ra các nhánh bằng enzym tách nhánh thì diễn ra sự thuỷ phân đến cùng, tới matoz. Maltoz có thể được phân huỷ theo lối thuỷ phân ở bên ngoài tế bào nhờ maltaz. Nếu có các permeaz tương ứng thì maltoz và các oligomer phân tử lượng thấp được hấp thụ vào tế bào và được phân huỷ theo kiểu photphorolyse.

Những điểm tấn công của các enzym tham gia vào sự phân huỷ amylose và amylopectin.

Sự chuyển gốc glycosyl

Trong các dung dịch dinh dưỡng chứa tinh bột đã nuôi Bacillus macerans, có thể phát hiện thấy các hợp chất kết tinh, chúng bao gồm các chuôic khép kín dạng vòng của các phân tử glucoz ở liên kết 1,4 - glucosit. Những α -, β -, hoặc - xyclodextrin này chứa 6-7 hoặc 8 phân tử glucoz trong vòng và được hình thành từ tinh bột dưới tác dụng của các transglycosylaz.

Nấm và vi khuẩn sản sinh các α - amylaz. Khả năng phân hủy tinh bột bằng các exoenzym rất phổ biến ở vi sinh vật. Không thể nói tới một khu hệ vi sinh vật tham gia đặc hiệu vào sự phân huỷ tinh bột. Nhiều nấm đất là những cơ thể tạo thành amylaz mạnh mẽ. Để thu nhận các chế phẩm amylaz kỹ thuật, ngời ta sử dụng Aspergillus oryzae, A. nigerA. wentii. Takaamylaz hoặc takadiastaz là những ví dụ về một sản phẩm thô thương mại từ dịch nuôi của A. oryzae, nó phân huỷ tinh bột tới glucoz. Trong số vi khuẩn thì các Bacillus (B. Macerans, B. polymyxa, B. subtilis), các Pseudomonas và các xạ khuẩn khác nhau cũng sản sinh mạnh mẽ α - amylaz. Đặc biệt, enzym của B. stearothermophilus chịu được nhiệt độ 1000C trong thời gian ngắn mà không mất hoạt tính. Một số Clostridium ưa nhiệt như C. thermosulforogenesC. thermohydrosulfủicum cũng tiết ra các α - amylaz và pululanaz bền nhiệt. Vì các nấm men tạo thành rượu không tiết ra các amilaz nên để đường hoá tinh bột người ta bao giờ cũng phải dùng đến các amylaz của nha hoặc của Aspergillus orizae.

Tronh những điều kiện yếm khí ở các đất bão hoà nước vừa mới được bón cacbonhydrat thì tinh bột thường bị phân huỷ bởi các Clostridium phân huỷ đường. Bởi vì chúng liên kết nitơ phân tử cho nên sự phân huỷ yếm khí các xác thực vật giàu polysaccarit trong đất có thể dẫn đến một thu nhập nitơ cao.

Các glucan khác

Vi khuẩn mà nấm chứa nhiều glucan, trong đó một số có chức năng bảo đảm độ rắn chắc, còn số khác là chất dự trữ. Nhiều chất nhày do vi sinh vật tiết ra cũng được coi là các glucan. Chất quen thuộc nhất trong số chúng là dextrin, ví dụ được sinh ra nhiều bởi Leuconnostoc mesenterroides hoặc L. Dextranicum nhờ exoenzym dextranxacaraza trong các dung dịch dinh dưỡng chứa xâcroza.

Bộ khung bảo vệ của thành tế bào nấm men chứa β - 1,6 - glucan. Tuy nhiên, cấu trúc chính xác của bộ khung bảo vệ không hoà tan, được tạo lưới với các khối gồm những liên kết β - 1,3 này của tế bào nấm men còn chưa được biết rõ. Cũng như nhiều glucan khác, các thành tế bào nấm men bị phân hủy bởi dịch tiêu hoá (dịch hepatopancrea) của ốc sên. Dịch này chứa một hỗn hợp của 30 hoặc hơn nữa các enzym, trong đó có các cellulase, mannaz, glucanaz, chitinaz, và lipaz. Nó thích hợp cho việc sản xuất các protoplast từ nấm men cũng như từ các tế bào nấm khác và tảo.

Nấm men màu đen Aureobasidium (Pullularia) pullalans trong khi sinh trưởng trên các dung dịch dinh dưỡng chứa glucoz hoặc saccaroz thì tiết ra pullulans, glucan này gồm các đơn vị maltotrioz được liên kết với nhau theo kiểu α - glucosit ở vị trí 1,6 (poly - α - 1,6 - maltotrioz). Pullulans bị phân huỷ bởi các pullulanase.

Phân hủy các fructan

Ở một vài họ thực vật thì các fructan (còn gọi là các polyfructosan) là chất dự trữ thay cho hoặc thêm vào các tinh bột (các glucan).

Trong khi inulin, tức fructan của các cây họ cúc (ví dụ của rễ cây thược dược) ít có ý nghĩa thì các fructan kiểu phlein cần được nghiên cứu kỹ hơn. Ở cỏ liễu chúng chiếm tỉ lệ 12-15% chất khô. Các enzym phân huỷ chúng thì được tách từ Aspergillus niger và vi khuẩn, và có lẽ phổ biến rộng.

Các fructan (còn gọi là các laevan) cũng là những exopolysaccarit. Chúng được tạo thành bởi hàng loạt vi khuẩn khi trong dịch nuôi có chứa saccaroz. Quá trình tạo thành các laevan giống với sự tạo thành dextran và được xúc tác bởi một laevan saccaraz ngoại bào.

n Saccaroz → Laevan + n Glucoz

Trên các môi trường dinh dưỡng chứa saccaroz thì sự tạo thành laevan nhờ exoenzym như vậy có thể nhìn thấy được do sự xuất hiên những giọt nhỏ laevan ở gần các khuẩn lạc; điều này thường được quan sát thấy ở các chủng Bacillus subtilis, B. cereus, và Azotobacter chroococcum. Các vi sinh vật khác có khả năng sinh laevan là: Streptococcus salivarius, S. mutans và nhiều chủng của các Pseudomonas tạo huỳnh quang và của các Pseudomonas gây bệnh thực vật, của Enterobacter vv.... Laevan sinh ra lại được thuỷ phân bằng enzym và được sử dụng bởi một số chủng, sau khi saccaroz được tiêu dùng hết.

Phân hủy mannan

Mannan có trong gỗ của một số cây lá kim (tới 11% khối lượng khô). Nó cũng có trong tế bào nấm men, như là polysaccarit hoà tan và có thể được chiết ra nhờ việc xử lý bằng kiềm trong nước hoặc bằng cách hấp trong nồi hấp đối với các huyền dịch nấm men. Từ nấm men Hansenula holstii đang sinh trưởng trên glucoz có tiết ra một mannan hoà tan được este hoá tới 20% bằng axit photphoric.

Pectin

Pectin là những chất gian bào có trong các mô của cây non và đặc biệt giàu ở quả dâu, ở quả có hạch, và quả có hạt. Ý nghĩa của nó không phải ở khối lượng mà là ở va trò của nó đối với độ chắc của cây. Đó là một hợp phần của những tấm mỏng trung gian, nằm ở giữa các thành tế bào của những tế bào thực vật nằm cạnh nhau.

Pectin là những polygalacturonit. Chúng bao gồm những chuỗi không phân nhánh của các axit D - galacturonic được liên kết α - 1,4 glucosit. Các nhóm cacboxy đựoc este hoá hoàn toàn hay một phần với metanol. Trong các pectin không hoà tan thì phần lớn các chuỗi liên kết với nhau thành mạng lưới. Trong sự phân huỷ pectin nhờ vi sinh vật có sự tham gia của các enzym phân huỷ pectin (các esteraz và các depolymeraz). Các pectin esteraz thì phân huỷ các liên kết metyleste và giải phóng metanol. Các axit polygalacturonic còn lại thì được phân huỷ nhờ polygalacturonaz để giảp phóng các oligomer và các monomer của axit D - galacturonic.

Khả năng phân hủy pectin là đặc tính riêng của nhiều nấm và vi khuẩn. Một số vi sinh vật (Botrytis cinnerea, Fusarium oxysporum, F. Lycopersici) có khả năng gây bệnh thực vật là do chúng tiết enzym hoà tan pectin. Erwvinia caratovora làm tan mô ở rau xà lách, cà rốt, rau cần tây vv.... Số lượng các cơ thể phân huỷ pectin trong đất là cực kỳ lớn (105 tế bào/gam đất). Các vi khuẩn sinh bào tử như Bacillus macerans Bacillus polimisa nằm trong số vi sinh vật phân hủy pectin mạnh mẽ nhất. Nhiều Pseudomonas (P. fluorescens), vi khuaanr trong daj cor, xaj khuaanr, Clostridium ưa nhiệt và vi khuẩn lactic cũng phân huỷ pectin. Trong số nấm phân huỷ pectin thì có Aspergillus niger, Aureobasidium pullulans, Fusarium Rhizoctonia solani.

Có ý nghĩa kỹ thuật là các vi sinh vật phân huỷ pectin trong quá trình ngâm dầm cây lanh và cây gai. Quá trình này nhằm tách các bó sợi cellulosea ra khỏi tập hợp mô của cây. Tham gia vào sự dầm sương thoáng khí là nấm, còn vào sự ngâm nước yếm khí thường là vi khuẩn. Trong số bọn sau thì có lẽ Clostridium pectinovorumC. felsineum là quan trọng nhất. Các enzym phân huỷ pectin dùng cho mục đích kỹ thuật và các enzym khác cho sự làm trong dịch quả và làm trọng rượu vang chủ yếu được thu nhận từ những nấm được sinh trưởng trên các môi trường dinh dưỡng chứa pectin.

Phân hủy thạch

Thạch là một hỗn hợp của agazoza và agaropectin. Polysaccarit chính bao gồm D - galactoza và 3,6 - anhydrogalactoza, chúng được gắn với nhau theo mạch thẳng luân phiên, qua liên kết β - 1,4 và liên kết 1,3. Agaropectin được cấu tạo phức tạp hơn và chứa D - galactoza,3,6 - anhydrogalactoza, các axit uronic tương ứng và sulfat. Đa số tảo đỏ chứa agar; trên quy mô thương mại người ta thu nhận agar từ các loài Gelidium.

Thạch không bị phân huỷ bởi hầu hết vi sinh vật. Chỉ từ nước biển vào tảo biển mới phân lập được một số loài vi khuẩn thuỷ phân thạch. Sự phân huỷ thạch được nhận biết ở những chỗ lõm của các khuẩn lạc vào lớp thạch (hình dưới). Vi khuẩn phân huỷ thạch rất hay gặp trong các sinh cảnh biển. Ở các vùng có thuỷ triều đã tìm thấy tới 107 vi sinh vật phân huỷ thạch/gam bùn, tức là khoảng 2-4% số lượng vi khuẩn hiếu khí gặp ở nơi sống này. Vi sinh vật phân huỷ thạch thuộc về các chi Cytophaga, Flevobacterium, Bacillus, PseudomonasAlcaligenes.

Khuẩn lạc của Cytophaga fermentans var agarovorans trên các đĩa thạch dinh dưỡng. Sự phân huỷ thạch được nhận biết ở các chỗ lõm của các khuẩn lạc (a). Các vùng khuyếch tán của exoenzym thủy phân thạch trở nên nhìn thấy được sau khi tráng đĩa bằng dụng dịch iot - kaliumiotdi (b).

Phân hủy chitin

Chitin được xem là polysaccarit có khối lượng lớn nhất trên trái đất sau cellulosea. Về hình thức thì chitin bắt nguồn từ cellulosea do sự thay nhóm amino được axetyl hoá. Tính cứng nà ta thấy là do các liên kết kiểu cầu nối hydro xuất phát từ các nhóm bên N - axetyl gây nên. Chitin là một chất bảo vệ phổ biến cả trong giới động vật cũng như thực vật. Nó tạo thành bộ xương ngoài của nhiều động vật không xương sống. Là hợp phần chủ yếu của thành tế bào của nhiều nấm, nhất là nấm đảm (Basidiomy cetes) và nấm nang (Ascomy cetes), chitin cũng liên tục được tạo thành trong đất.

Vì thế không đáng nhạc nhiên rằng nhiều vi khuẩn đât và vi khuẩn nước có khả năng sử dụng chitin. Trong số 50 vi khuẩn phân huỷ chitin được phân lập từ đất ruộng, có những chi đại diện sau đây: Flavobacterium, Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas, Streptomyces, Nocardia, Mortierella. Trong mộ gam đất ruộng có tới 106 vi sinh vật có khả năng sử dụng chitin. Tỷ lệ cao chứng tỏ rằng chitin luôn là một cơ chất dồi dào ở trong đất.

Nếu đưa chitin nghiền nhỏ vào đất thì các xạ khuẩn phản ứng bằng cách sinh sản nhanh hơn, vì thế các môi trường dinh dưỡng thạch với chitin là nguồn nitơ và nguồn cacbon duy nhất là cực kỳ thích hợp đối với xạ khuẩn, với tư cách là môi trường dinh dưỡng chọn lọc. Trong điều kiện kị khí thì chitin bị phân huỷ nhờ một số vi khuẩn kị khí bắt buộc chuyên hoá cao về phân huỷ chitin. Tuy nhiên chúng ta còn biết rất ít về sự phân huỷ kị khí chitin, chẳng những trong ruột của những động vật biển ăn giáp xác chân chèo, ăn tôm, cua, mà cả trong tần lắng đọng của các thuỷ vực.

Sự tấn công của vi sinh vật vào chitin cũng xảy ra nhờ các enzym được tiết ra bên ngoài tế bào. Các enzym do Streptomyces griseus tiết ra được tách thành chitinaza và chitobiaza. Sự phân huỷ có lẽ xảy ra nhờ sự tấn công đồng thời của chitinaza vào nhiều vị trí dọc theo polymer, khi ấy có ít N - axetylglucosamin và nhiều kitobiaza và kitotrioza được giải phóng, Những chất saucùng được phân huỷ bởi kitobioza thành các monomer. Dưới tác động của vi sinh vật, ví dụ của Absidia coerylea, chitin cũng có thể được chuyển hoá thành kitosan. Đó là một poliglucosamin, hình thành từ chitin do sự loại bỏ gố axetyl. Kitosan đã được sản xuất với khối lượng lớn nhờ công nghệ sinh học và được dùng làm keo dính, chất xử lý miệng vết thương, chất tạo chelat, chất bổ sung vào đất và bổ sung vào thức ăn gia súc.

Phân hủy lignin

Sau cellulosea và bên cạnh hemicellulosea thì lignin là hợp phầncó ý nghĩa nhất về mặt khối lượng của thực vật. Hàm lượng lignin của mô gỗ thay đổi giữa 18 và 30% khối lượng khô. Lignin được che phủ trong mô thực vật, nó nằm trong những lá mỏng thứ cấp cảu thành tế bào. Phức hệ hình thành từ lignin và cellulosea cũng được gọi là lignõenluloza. Lignin là sản phẩm thực vật được tạo thành rất nhiều mà bị phân huỷ sinh học chậm nhất. Vì thế nó là nguồn chủ yếu của chất hữu cơ chỉ bị phân giải chậm, nhất là của các axit humic trong đất.

Lignin, về mặt hoá học không phải là một hợp chất đồng nhất, mà là một hợp chất rất phức tạp (hình 14.5). Tính phức tạp này không phải là do có một số lớn các viên gạch cấu trúc monomer khác nhau. Những viên gạch cấu trúc cơ bản đều là các dẫn xuất phenylpropan mà đa số là coniferylacohol. Tính phức tạp, trái lai, là do có nhiều loại liên kết khác nhau giữa các viên gạch cấu trúc monomer. Cấu trúc khác thường này của lignin phù hợp với quan niệm cho rằng quá trình enzym của sự tổng hợp lignin chỉ xảy ra đến mức tạo thành các gốc coniferylacohol. Các gốc này sau đó tự phát liên kết với nhau mà kiểu và các khả năng liên kết tuỳ thuộc vào các trạng thái đồng phân không quang hoạt của chúng.

Sản phẩm trung gian của sự tổng hợp lignin được tách ra là một dimer và oligomer của coniferylacohol (hình 14.6). Trong khi lignin của họ thông phân nhiều bao gồm coniferylacohol thì lignin của cây là bản chứa coniferylacohol và sinapylalcohol, còn lignin của họ hoà thảo thì chứa, thêm cumarylalcohol. Sự khác biệt về thành phần thể hiện đặc biệt rõ ở hàm lượng nhóm metoxy: hàm lượng này của họ thông là 15 đến 16%, của cây lá bản là 20,5 đến 21,5%, và của họ hoà thảo là 14 đến 15% so với hàm lượng lignin.

Một phần phân tử lignin của gỗ cây họ thông
Các chất ban đầu của sự sinh tổng hợp lignin và các dimer của coniferylacohol, chúng xuất hiện như những sản phẩm trung gian của sự xây dựng và sự phân huỷ lignin.

Ở trong lignin thì các viên gạch cấu trúc phenylpropan được tạo lưới với nhau theo nhiều dạng, thông qua các liên kết ester và liên kết C - C (hình 14.5). Những liên kết này là cực kỳ bền vững đối với sự tấn công bằng enzym. Ở thực vật, lignin là một sản phẩm cuối cùng có tính trơ của trao đổi chất, nó không được thu nhận lại vào trao đổi chất và chỉ thực hiện chức năng cơ học. Nó chỉ bị phân huỷ bởi vi sinh vật. So với cellulosea và hemicellulosea thì lignin bị phân huỷ cực kỳ chậm, cả bởi các nấm phá gỗ cũng như bởi nấm và vi khuẩn trong đất.

Lignin có thể bị nấm và vi khuẩn phân hủy. Về nấm, chúng có thể phân huỷ lignin thậm chí ngay trong cây còn sống. Trong số các nấm đảm (Basidiomy cetes) phá gỗ có thể phân biệt hai nhóm: - những tác nhân của “sự mục nát hoá nâu” biến đổi gỗ thành một đống màu nâu đỏ, chúng thường phá huỷ các hợp phần thuộc các loại cellulosea và hemicellulosea của gỗ và chừa lại các polymer phenylpropan. - Các tác nhân của “sự mục nát hoá trắng”của gỗ để lại một đống hầu nhưmàu trắng, chúng tấn công trước hết lignin và để lại celluloseacòn nguyên vẹn. Những nấm tần công lignin quan trọng nhất gồm nấm đốm bướm (Polyversicolor) và các nấm tầng, ví dụ Stereum hirsutum. Các nấm khác thì tấn công đồng thời lignin và cellulosea: Pleurotus ostreatus, Ganoderma applanatum, Polyporus adustus, Armillari mellea. Sự phân huỷ gỗ bằng giống nấm thuần khiết xảy ra chậm đến nỗi các thí nghiệm kéo dài hàng tháng thậm chí hàng năm. Nhờ các phương pháp khác nhau mà đã có thể phát hiện ra rằng các thành viên của các chi khác cũng có khả năng phân huỷ lignin (Clitocybe, Pholiota, Lenzites, Panus, Poria, Trametes vv...).

Phanerochacte chrysporium là một trong những nấm gây mục nát hoá tráng mạnh nhất và hiện đang là mô hình để nghiên cứu sự phân huỷ lignin nhờ nấm. Chúng phân huỷ lignin chỉ khi có mặt oxi và glucoza. Lignin không bị phân huỷ kị khí. Trong quá trình phân hủy lignin, có sự tham gia của một hệ enzym, trước hết là ligninaza. Hệ thống này gồm các peroxidaza với hai hemoprotein - peroxidaza, một là lignin - peroxidaza và hai là mangan - peroxidaza (phụ thuộc Mn). Các peroxidaza cần H2O2 cho hạot động của mình và xúc tác sự phân huỷ oxi hoá các liên kết ete β - O - 4 và các liên kết C - C trong lignin và trong các chất tương tự. H2O2 cần thiết trên đây có lẽ được cung cấp từ sự oxi hoá glucoz (bắt nguồn từ cellulose), do glucoz - oxidaz. Sự tạo thành các peroxidaz được thúc đẩy nhờ sự thiếu nitơ. Cơ chế điều hoà này của sự tạo thành peroxidaz có nghĩa rằng sự phân huỷ lignin bởi nấm không phải nhằm thu nhận năng lượng từ lignin mà là trước hết nhằm khai thác các chất chứa nitơ trong gỗ vốn không được khai thác.

Không nghi ngờ gì rằng lignin không những được phân huỷ bởi nấm mà còn bởi vi khuẩn. Tuy nhiên sự phân huỷ xảy ra chậm đến nỗi nó dễ bị bỏ qua trong số các biểu hiện trao đổi chất khác của vi khuẩn. Người ta vẫn òcn phải tìm kiếm các vi sinh vật phân huỷ hoặc trước hết biến đổi lignin sao cho nó có thể được oxi hoá bởi các vi snh vật khác.

Phân hủy lipit

Vi sinh vật thường phân huỷ các lipit để khai thác năng lượng. Các triglyxerit (tức các triaxylglyxerol ), là những este của glyxerol và các axit béo được dùng làm nguồn năng lượng phổ biến và sẽ được đề cập trong phần này. Những chất này có có thể vị thuỷ phân tới glyxerol và các axit béo nhờ những vi sinh vật có các enzym lipaz. Sau đó glyxerol bị photphoryl hoá, bị oxi hoá tới dihidroxyaxeton photphat, và bị phân huỷ hơn nữa theo con đường đường phân.

Các axit béo từ các triaxylglyxerol và từ các lipit khác thường bị oxi hoá theo con đường β - oxi hoá sau khi bị biến đổi thành các este của coenzym A. Trong con đường khép kín thành chu trình này, các axit béo bị phân hủy tới axetyl - CoA để sau đó chất này đi vào chu trình TCA hoặc được dùng trong sinh tổng hợp. Trong quá trình β - oxi hoá, có tạo thành axetyl - CoA, NADh, và FADH2; NADh và FADH2 có thể bị oxy hoá theo chuỗi vận chuyển điện tử để cung cấp thêm ATP. Axetyl - CoA béo, đã bị ngắn đi hai cacbon, lại sẽ được oxy hoá thêm một vòng nữa của chu trình này. Các axit béo của lipit là nguồn giàu năng lượng để vi sinh vật sinh trưởng. Theo một cách tương tự, các vi sinh vật sinh trưởng tốt trên các hydrocacbon của dầu mỏ, trong điều kiện hiếu khí.

Các thực phẩm chứa lipit, như bơ chẳng hạn, có thể bị hỏng do vi sinh vật phân huỷ lipit trong đó, bằng các kiểu phân huỷ như thuỷ phân, β - oxi hoá axit béo vv..., và tạo thành glỷeol và hỗn hợp các axit béo, khiến bơ trở nên cúng và có vị đắng.

Phân hủy protein

Các cơ thể chứa protein là chủ yếu. Đối với đa số vi sinh vật thì một cơ thể chết là cơ chất tốt nhất. Các protein của sinh vật chết vị tấn công và phân huỷ rất nhanh bởi nhiều vi khuẩn và nấm. Cũng như các chất cao phâ tử khác, các protein trước hết bị phân huỷ bên ngoài tế bào bởi các enzym ngoại bào thành những mẩu nhỏ hơn có thể xâm nhập vào tế bào. Các enzym phân huỷ protein (các protease), do vi khuẩn và nấm tiết ra, thuỷ phân protein thành các oligopeptit và các axit amin. Các oligopeptit được vi sinh vật hấp thụ nhờ những hệ thống vận chuyển đặc hiệu và sau đó được phân huỷ nhờ các protease nội bào thành các axit amin. Những axit amin này hoặc được thu nhận vào protein của tế bào, hoặc được tách amin trên những con đường trao đổi chất đặc biệt, được lôi cuốn vào các con đường trao đổi chất trung gian và bị oxi hoá tận cùng. Như vậy chúng cũng được dùng làm nguồn năng lượng (hình 14.16)

Sơ đồ phân huỷ protein ở bên ngoài và bên trong tế bào vi khuẩn và những cách biến đổi axit amin tiếp theo.

Người ta thường xác định hoạt tính phân huỷ protein ngoại bào của vi sinh vật trên một môi trường rắn chứa gelatin. Khi ấy hoạt tính được nhận biết qua vùng phân huỷ bao quanh khuẩn lạc, vùng này không bị kết tua bởi HCl. Cũng theo nguyên tắc khuyếch tán này, có thể thay gelatin bằng sữa gầy, khi ấy môi trường có đọ đục tự nhiên của sữa, và vùng phân hủy hiện ra trực tiếp như những quầng trong suốt bao quanh khuẩn lạc.

Các proteaselà những enzym phân huỷ liên kết peptit. Trước hết cần phân biêt protease nội bào và protease ngoại bào. Loại đầu tiên thực hiện những chức năng của trao đổi chất trong tế bào, còn loại sau phục vụ cho sự phân huỷ các protease ngoại bào. Tuỳ theo tính đặc hiệu của chúng có thể phân biệt các exopeptidase và các enđopeptiaza. Các exopeptidase là những enzym mà tính đặc hiệu của chúng được qui định bởi đầu tận cùng cacboxy hoặc đầu tận cùng amino. Còn các endopeptidaza, hay còn gọi là các proteinaza,thì phân hủ những liên kết peptit bên trong chuỗi polypeptit. Có thể phân biệt ít nhất 4 nhóm proteinaza: serin - proteinase, xistein - proteinase, aspartat - proteinase, và kẽm - proteinase. Những enzym nội bào này cực kỳ đặc hiệu và đóng vai trò to lớn trong sự điều hoà trao đổi chất của tế bào, ví dụ bằng cách phân hủy peptit tín hiệu và hoạt hoá hay bất hoạt các enzym này nhờ sự phân huỷ.

Protein được tiêu hoá một nửa gọi là pepton. Tên gọi được định nghĩa không rõ này ám chỉ pepton dùng làm môi trường dinh dưỡng cho vi khuẩn, nó được sản xuất theo cách xử lý protein bằng pepsin, làm cho một phần các liên kết peptit bị phân huỷ. Nó gồm khoảng 30% (W) các axit amin tự do; phần còn lại chứa các di - và tripeptit cũng như cac polipeptit hoà tan trong nước, không thể bị kết tủa bởi nhiệt hoặc axit nữa. Dịch dinh dưỡng phức hợp với thành phần không xác định (nutrient broth, NB) là một hỗn hợp của pepton, cao thịt và cao nấm men (tỷ lệ 7:7:2), chứa không những các axit amin và oligopeptit mà cả nhiều đường, axit hữa cơ, và các vitamin và nguyên tố vi lượng.

Cácprotease ngoại bào được tiết vào môi trường và phục vụ cho việc phân huỷ protein. Một số protease ngoại bào cũng tác động như những chất độc (toxin) và những nhân tố độc (virulent factor): subtilisin, lizostaphin, streptokinaza, elastase, hemolizin vv.... Các protease được sản xuất công nghiệp trên quy mô lớn và dùng làm chất bổ sung vào chất tảy rửa, để xử lý da, và cho nhiều mục đích khác. Các protease bền nhiệt được sản xuất từ vi khuẩn ưa nhiệt. Protease ngoại bào được nhiều vi khuẩn và nấm sinh ra, nhưng không phải là mọi vi sinh vật đều có khả năng này.

Sự phân hủy protein trong đất xảy ra kèm theo sự tạo thành amon. Vì thế người ta gọi đó là sự khoáng hoá nitơ hay sự amôn hoá (amonifikation). Tham gia vào sự phân huỷ protein có vô số nấm và vi khuẩn, trong số đó có Bacillus cereus var mycoides, các Pseudomonas, Proteus vulgaris vv...

Phản ứng phân huỷ đầu tiên tấn công vào một axit amin có thể là một sự tách cacboxy (dercarboxilation) hoặc một sự tách amin (desamidization). Các decacboxilaza thường được tạo thành ở vùng pH axit. Các sản phẩm của sự tách cacboxi đối với các axit amin là cacbon dioxit và các amin bậc một. Những bazơ quen thuộc nhất, trước kia đựoc mô tả như là những độc tố thối (ptomain) hoặc độc tố xác chết, là cadaverin, putrexsin và agmatin; chúng hình thành từ lizin, ornitin hoặc arginin. Các amin bậc một xuất hiện trong sự thối rữa bình thường ở ruột và trong các quá trình phân huỷ yếm khí khác đối với các chất chứa protein.

Sự tạo mùn

Một phần đáng kể xác thực vật, động vật bị vi sinh vật phân huỷ trong đất. Một phần các chất hữu cơ này bị phân hủy nhanh tới tận cung (CO2 ), còn một phần khác, chủ yếu là xác thực vật, bị phân huỷ chậm hoặc rất chậm thì tồn tạo dưới dạng mùn. Đó là hỗ hợp của rất nhiều chất hữu cơ - sản phẩm của một chuỗi phản ứng nhiều chất ban đầu. Hỗn hợp này có tính vô định hình, tính keo, thường mầu xẫm, có tính giữ ẩm, giữ nhiệt. Đó là một kho cung cấp từ từ chất dinh dưỡng cho cây.

Tham gia vào sự tạo mùn có vi khuẩn, nấm, động vật nguyên sinh, cũng như giun bậc thấp và bậc cao. Mùn, ở mức độ nhất định, tồn tại trong một cân bằng động: một mặt nó luôn luôn được bổ sung bởi các chất hữu cơ, mặt khác thì bị oxi hoá tận cùng một phần. Như vậy hàm lượng mùn của đất càng cao nếu những điều kiện tạo thành mùn càng thuận lợi và những điều kiện phân huỷ chúng càng khó khăn. Hàm lượng mùn thấp của các đất nhiệt đới là do sự phân huỷ nhanh chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật nhiệt đới. Đất đen đồng cỏ ở những vùng có mùa đông kéo dài và mùa hè khô là điều có thể hiểu được. Lượng mùn được tích luỹ không chỉ phụ thuộc vào các điều kiện khí hậu và thổ nhưỡng mà còn vào loại chất thực vật. Rơm của cây ngũ cốc và cây đồng cỏ tạo nên mùn dễ phân huỷ, còn lá cây rừng và nhất là rơm của bộ thông thì tạo nên mùn khó phân huỷ (mùn thô).

Đánh giá:
0 dựa trên 0 đánh giá

Tuyển tập sử dụng module này

Nội dung cùng tác giả
 
Nội dung tương tự