Cổ khuẩn sinh methane (methanogens)

Trong cổ khuẩn, các loài sinh methane làm thành một nhóm lớn và đa dạng với các đặc điểm chung là (1) tạo khí methane như sản phẩm cuối cùng của chu trình trao đổi năng lượng và (2) sống kỵ khí bắt buộc. Cổ khuẩn sinh methane thu năng lượng cho quá trình sinh trưởng từ việc chuyển hoá một số chất thành khí methane. Nguồn cơ chất chủ yếu của các vi sinh vật này là hydro, format và acetat. Ngoài ra, một số hợp chất C₁ như metanol, trimethylamin, dimethylsulfid và rượu như isopropanol, isobutanol, cyclopentanol, etanol cũng được sử dụng làm cơ chất (Bảng 4).

Quá trình sinh methane ở cổ khuẩn có thể coi như là quá trình hô hấp kỵ khí, trong đó chất nhận điện tử là CO₂ hoặc nhóm methyl trong các hợp chất C₁ và acetat. Tuy nhiên, như ta thấy trong bảng 4, năng lượng được giải phóng ra trong các phản ứng tạo methane đều rất nhỏ. Để so sánh ta có thể lấy năng lượng giải phóng từ phản ứng oxygen hoá glucoza bằng oxygen C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O (∆G₀’ = －2870 kJ/mol). Là những sinh vật duy nhất có khả năng tạo ra khí methane, cổ khuẩn sinh methane có những enzyme và coenzyme thiết yếu cho quá trình tổng hợp methane và đóng vai trò chỉ thị cho nhóm, ví dụ như coenzyme F₄₂₀ và coenzyme M. Sự hiện diện của coenzyme F₄₂₀ khiến cho các tế bào của cổ khuẩn sinh methane có tính tự phát sáng dưới ánh đèn huỳnh quang (bước sóng 350－420 nm). Mặc dù hiện tượng tự phát sáng này có thể mạnh, yếu, hay đôi khi mất hẳn, tuỳ thuộc vào các pha sinh trưởng của tế bào, nhưng đó vẫn là một đặc điểm đơn giản và tiện lợi để nhận biết cổ khuẩn sinh methane dưới kính hiển vi. Bên cạnh đó, trình tự acid amin trong các chuỗi peptid của coenzyme M cũng được dùng để phân loại cổ khuẩn sinh methane. Những nghiên cứu trong lĩnh vực này cho thấy sự tương đồng giữa cây phân loại dựa trên trình tự 16S rARN và cây phân loại dựa trên trình tự acid amin của các đơn vị α và β trong coenzyme M.

 

Bảng 4.   Phản ứng tạo methane trên các cơ chất khác nhau và năng lượng được giải phóng từ đó

Những nơi thông thường có thể tìm thấy cổ khuẩn sinh methane là các bể lên men hữu cơ kỵ khí, các lớp trầm tích thiếu oxygen, đất ngập úng và hệ đường ruột của động vật. Khi ở dạng chủng đơn cổ khuẩn sinh methane rất nhạy cảm với oxygen, tuy vậy trong tự nhiên chúng có thể tồn tại ở môi trường hiếu khí nhờ được bao bọc và bảo vệ bởi các vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí khác. Trong môi trường kỵ khí, cổ khuẩn sinh methane phải cạnh tranh về cơ chất, đặc biệt là hydro và acetat, với các nhóm vi sinh vật sử dụng chất nhận điện tử có hiệu điện thế khử dương tính hơn so với CO₂ như là nitơrat, sulfat và ôxit sắt III. Như vậy cổ khuẩn sinh methane sẽ chiễm lĩnh các môi trường nơi không có nhiều các loại chất nhận điện tử tiềm năng này. Do không có khả năng sử dụng rộng rãi các loại cơ chất khác nhau, trong tự nhiên cổ khuẩn sinh methane thường phải phụ thuộc vào các loài vi khuẩn lên men vì chúng chuyển hoá đa dạng chất hữu cơ thành các acid hữu cơ, hydro, format và acetate, trong đó hydro, format và acetate là nguồn thức ăn trực tiếp cho cổ khuẩn sinh methane, còn các acid hữu cơ sản phẩm của quá trình lên men như propyonat, butyrate thì cần phải được một nhóm vi khuẩn khác chuyển hoá thành cơ chất thích hợp rồi mới đến lượt cổ khuẩn chuyển thành khí methane. Có hai hình thức cộng sinh: bắt buộc và không bắt buộc. Trong hình thức cộng sinh giữa cổ khuẩn sinh methane và vi khuẩn lên men, chỉ có cổ khuẩn phụ thuộc vào mối liên hệ này do nhu cầu về thức ăn còn các hoạt động trao đổi chất của chúng hoàn toàn không có ảnh hưởng gì tới các vi khuẩn lên men, vì thế hình thức này được gọi là cộng sinh không bắt buộc.

Cộng sinh bắt buộc diễn ra giữa cổ khuẩn sinh methane và một nhóm vi khuẩn cộng sinh bắt buộc, trong đó cả đôi bên cùng cần đến nhau, ví dụ như hiện tượng cộng sinh giữa Methanobrevibacter và Synthrophobacter (Hình 9). Nhóm vi khuẩn cộng sinh trong mối liên kết này oxygen hoá acid hữu cơ như propionate, các acid có mạch carbon dài hơn, các hợp chất thơm và chuyển điện tử sang proton hay CO₂, tạo thành hydro hay format tương ứng. Nhóm vi khuẩn cộng sinh này chỉ có thể thực hiện được trao đổi chất khi nồng độ hydro và format trong môi trường xung quanh được giữ ở mức rất thấp, và nhiệm vụ đó do cổ khuẩn sinh methane đảm nhiệm. Các loài sinh methane thường có mặt trong mối liên kết cộng sinh bắt buộc là Methanoplanus endosymbiosus, các loài Methanobrevibacter, và Methanobacterium formicicum.

Ở một số môi trường đặc biệt như các suối nước nóng hay các tầng nham thạch núi lửa cổ khuẩn sinh methane thường có mặt với số lượng lớn. Trong trường hợp này chúng sống tự do, không phụ thuộc vào các vi sinh vật khác vì nguồn cơ chất chủ yếu được sử dụng ở đây là hydro, sản phẩm có được từ con đường lý hoá chứ không qua con đường sinh học.

Hiện nay tổng số cổ khuẩn sinh methane được biết đến là 50 loài thuộc 19 chi, sáu họ và ba lớp (Bảng 5 và 6). Sự phân loại này dựa trên trình tự 16S rARN hiện có, tuy nhiên chúng ta có thể hình dung được rằng theo thời gian khi những loài mới được biết thêm thì có thể bảng phân loại này sẽ cần phải thay đổi.

 

Bảng 5. Các nhóm phân loại chính của cổ khuẩn sinh methane

T = họ/ chi chuẩn; -nt- như trên

Về hình thái, cổ khuẩn sinh methane rất đa dạng, trong đó một số loài có hình dạng đặc trưng dễ nhận biết dưới kính hiển vi như Methanosarcina, Methanospirillum hay Methanosaeta (Hình 10). Ngoài ra, một trong những đặc điểm quan trọng dùng để phân loại nhóm cổ khuẩn này là nguồn cơ chất có thể sử dụng để sinh methane (Bảng 6).

Họ Methanobacteriaceae có thành tế bào cấu tạo từ pseudomurein, vì thế bắt mầu Gram (+). Họ Methanobacteriaceae gồm có ba chi là Methanobacterium, Methanobrevibacter và Methanosphaera. Các loài thuộc chi Methanobacterium có tế bào hình que hoặc hình sợi, đôi khi tạo nhóm gồm nhiều tế bào. Tất cả các loài thuộc chi này đều có khả năng sinh methane từ H₂ + CO₂, một số loài sử dụng.