Vi Khuẩn Quang Dưỡng Tía Không Lưu Huỳnh

Một số đặc điểm của vi khuẩn quan dưỡng (VKQD) tía không lưu huỳnh

1. Phân bố và phân loại

Vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh (Purple non-sulfur photobacteria) thuộc ngành Proteobacteria. Chúng là vi khuẩn gram âm có khả năng quang hợp không sinh ôxi, thực hiện quang hợp nhờ khuẩn lục tố trong điều kiện kỵ khí. Chúng có khả năng sử dụng điện tử từ hợp chất lưu huỳnh, hydrro phân tử hoặc hợp chất cacbon đơn giản. VKQD tía không lưu huỳnh là nhóm phân bố rộng và đa dạng nhật trong VKQD, nhờ tính đa dạng về hình thái, cấu trúc tế bào và đặc tính sinh lý.

VKQD tía không lưu hình phân bố rộng trong tự nhiên, ở nhiều thủy vực khác nhau từ môi trường nước ngọt đến môi trường có nồng độ muối cao, suối nước nóng, ao hồ, nước thải, khu vực gần hồ, khu vực trầm tích và trong đất ẩm đủ ánh sáng ở những nơi nhiều chất hữu cơ, chất thối rửa. Một số loài được tìm thấy ở môi trường có độ PH thấp như Rhodosprillum Pseudomonas acidophila (PH thích hợp cho phát triển là 5,5), có loài chịu được nồng độ muối cao 50-70% như Rhodospeillum salinarum và R. salexigens được tìm thấy ở ruộng muối.

Phân loại:

Molisch (1970) đã dựa trên sắc tố để phân loại vi khuẩn tía thành bộ Rhodobacteria với hai họ là Thiorhodaceae và Athiordaceae. Pfennig và Truper (1971) đổi tên bộ thành Rhodospirillales và họ thành Chromatiaceae và Rhodospirillaceae. Năm 1984 Imhoff chia VKQD tía lưu huỳnh thành hai họ Chromatiacea, Ectothiorhodospiraceae và VKQD tía không lưu huỳnh thành họ Rhodospirillaceae. Theo Hansen (1974), họ Rhodospirillaceae có khả năng sử dụng sulfide, ôxi hóa sulfide thành sulphate, tetrathiornate hoặc tạo lưu huỳnh bên ngoài tế bào.

VKQD không lưu huỳnh là nhóm quan trọn nhất trong tất cả các VKQD. Chúng có khả năng quang năng dị dưỡng, thu nhận năng lượng từ ánh sáng và nguồn carbon là cá hợp chất carbon đơn giản. Tuy nhiên cũng có nhiều giống tăng trưởng theo phương thức quang năng tự dưỡng với nguồn carbon chính là CO₂. VKQD tía không lưu huỳnh có khả năng quang dưỡng trong điều kiện kỵ khí hoặc hiếu khí trong tối và không tạo lưu huỳnh bên trong tế bào.

2. Các đặc điểm sinh lý quan trọng của vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh

2.1 Kiểu biến dưỡng

VKQD tía không lưu huỳnh đa dạng về khả năng biến dưỡng, chúng có thể thực hiện quang tự dưỡng, quang dị dưỡng, hóa tự dưỡng và hóa dị dưỡng.

Họ Rhodospirillacea trong nhóm VKQD có khuynh hướng quang dị dưỡng mạnh nhất, sử dụng nguồn carbon trong các hợp chất hữu cơ đơn giản cho quá trình đồng hóa.

Nhiều chủng sinh trưởng theo kiểu quan tự dưỡng, sử dụng hydrogen, sulfide hoặc thiosulphate làm chất cho điện tử để tạo lực khử NADPH cho quá trình cố định CO₂

Điều kiện hoạt động

Đa số loài có khả năng hóa dị dưỡng trong điều kiện vi hiếu khí đến kỵ khí trong tối (sử dụng nguồn carbon và điện tử từ các hợp chất vô cơ trong hô hấp để thu lấy năng lượng). Một loài có khả năng hóa tự dưỡng chúng sử dụng các chất vô cơ làm chất cho điện tử và có khả năng cố định CO₂. Các loài sinh trưởng theo kiểu hóa năng dị dưỡng có khả năng hô hấp như Rhodospirillum capsulatus, Rhodobacter sphaeroides, Rubirvivax gelatinosa, Rhodospirillum rubrum. Chúng có khả năng biến đổi nhanh từ kiểu biến dưỡng quang năng sang hô hấp khi điều kiện môi trường thay đổi.

Trường hợp ngoại lệ trong điều kiện thiếu ánh sáng, kỵ khí, VKQD tía không lưu huỳnh có thề lấy năng lượng từ quá trình lên men hoặc hô hấp kỵ khí. Uffen và Wolfe (1970) đã chứng minh Rhodospirillum rubrum sinh trưởng tốt trong điều kiện thiếu ánh sáng, hoàn toàn không có ôxi, nhưng khi có một số chất hữu cơ nhất định thì chúng có thể tạo năng lượng bằng con đường lên men yếu.

2.2 Chất cho điện tử và nguồn carbon

Đa số VKQD tía không lưu huỳnh có khả năng sử dụng nhiều loại carbon hữu cơ khách nhau làm chất cho điện tử và nguồn carbon. Acetate và pyruvate được VKQD tía không lưu huỳnh đồng hóa thông qua chu trình tricarboxylic acid. Succinate và acetate là nguồn cơ chất phổ biến ở nhiều loài VKQD. Glucouse và fructose được chuyển hóa trong điều kiện quang năng hoặc hóa năng (hiếu khí, trong tối). Các loài Rhodobacter capsulatus và Rhodobacter sphaeroides sử dụng 2 loại đường này. Rhodobacter sphaeroides chuyển hóa glucose trong cả 2 điều kiện. Citrate được một số loài Rhodopseudomonas acidophila, Rubrivivax gelatinosa, Rhodobacter sphaeroides sử dụng. Succinate hoặc malate được Rhodobacter sphaeroides, Rsp. Viridis sử dụng trong điều kiện kỵ khí. CO₂là nguồn carbon quan trọng đối với VKQD tía không lưu huỳnh. Sự cố định CO₂được thực hiện qua con đường Ribulose biphosphate carboxylase.

Đa số vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh không cần nguồn lưu huỳnh khử. Chúng có thể sử dụng sulphate là nguồn lưu huỳnh để đồng hóa. Thông thường chúng bị ức chế ở nồng độ sulfide 0,5 mM (trừ một sồ có khả năng kháng sulfide chịu được nồng độ 2-3 mM như Rhodomicrobium vannielii và ôxi hóa sulfide đến lưu huỳnh nguyên tố. Một số loài tạo hạt lưu huỳnh ngoài tế bào ôxi hóa sulfide thành sunphate (như Rba. vekampii, Rba. Adriatycus, Rba. Euryhalinus, Rps. Rubum, Rps. Mediosalium).

2.3 Nguồn nitơ

Ammonia, nitơ phân tử và nhiều hợp chất nitơ hữu cơ được VKQD tía không lưu huỳnh sử dụng làm nguồn đạm. Khả năng cố định nitơ là đặc tính phổ biến ở VKQD tía. Nitrate chỉ được sử dụng ở một vài loài. Quá trình đồng hóa nitrate được cảm ứng bởi nitrate, nhưng bị ức chế bởi ammonia và glutamte. Trong điều kiện kỵ khí và thiếu ánh sáng vài loài sử dụng nitrate, nitric, nitrous oxyde, dimethyl sulfoxide (DMSO) hoặc trimethylamine-N-oxide (TMAO) làm chất nhận điện tử cuối cùng trong hô hấp kỵ khí. Rhodobacter sphaeroides có khả năng sử dụng nitrate làm chất nhận điện tử. Rhodobacter capsulatws sử dụng đường làm chất cho điện tử và DMSO hoặc TMAO làm chất nhận điện tử cuối cùng. Sự khử nitrate có khả năng xảy ra trong tối hoặc ngoài sáng nhưng bị ức chế bởi ôxi.

2.4. Quan hệ với ôxi

Đa số vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh có thể phát triển trong điều kiện từ ky khí đến hiếu khí và chịu được độc tính của các dẫn xuất ôxi hóa của ôxi. Một số chủng rất nhạy cảm với ôxi. Như Rhodopseudomonas capsultus, Rhodobacter sphaeroides và Rhodospirllum rubrum. Khả năng chịu được ôxi thì khác nhau ở các loài. Khi có ôxi, huyền phù tế bào thường có màu nhạt hay không màu do ôxi ảnh hưởng đến sự hình thành sắc tố quang hợp của VKQD. Khi nồng độ ôxi cao (Po;: 10 torr), sự hình thành sắc tố quang hợp và các phức hợp truyền điện tử trong màng quang hợp bị ức chế dẫn đến VKQD không thu được năng lượng từ ánh sáng mà chúng thực hiện hô hấp trong điều kiện vi hiếu khí trong tối.

Một số ứng dụng

Vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh tía là nguồn cung cấp các thành phần của chuỗi truyền điện tử trong quang hợp và tạo ATP, nguồn vitamin và các phân tử hữu cơ khác. VKQD tía không lưu huỳnh được ứng dụng nhiều trong xử lý nước thải, cải thiện môi trường, sản xuất hydro phân tử, thu sinh khối….

3.1.Sinh khối và các chất có hoạt tính sinh học từ VKQD tía

Sinh khối vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh giàu protein, axit nucleic, vitamin và carotenoid nên được xem là nguồn cung cấp protein đơn bào có giá trị. Có thể tận dụng những vật liệu rẻ tiền làm nguồn nuôi cấy VKQD để thu sinh khối. Từ sinh khối Rps. capsulus có thể thu được 61% protein và 6% axít nucleic tính trên trọng lượng sinh khối. Khi Rubrivivax gelatinosa và Rhodobacter sphaeroides được nuôi cấy đồng thời trên bả khoai mì thì thu được lượng vitamin B₁₂ là 44µg/g và carotenoid là 230µg/g chất khô.

Sinh khối vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh là nguồn thức ăn tốt cho gia súc, phiêu sinh vật và tôm cá. Bổ sung tế bào VKQD vào thức ăn giúp tăng sức sống của cá, cải thiện số lượng và chất lượng trứng gà. Protein đơn bào của VKQD làm tăng khả năng sinh trưởng và tính chịu đựng của cá bột. Ngoài ra sinh khối VKQD còn được bổ sung vào phân bón

Thu hydro phân tử từ VKQD tía

Đa số vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh có khả năng sản xuất hydro trong quang hợp nhờ nitrogenase trong điểu kiện thiếu nitơ phân tử. Hydro phân tử (H₂) được xem là một trong những nguồn năng lượng sinh học và có khả năng tái sinh đầy hứa hẹn trong tương lai. Có nhiều nhóm cơ chất như lactate, acctate, malate, butyrate… đã được thử nghiệm để sản xuất H₂ bằng VKQD có sự hiện của nitơ hoặc glutamate. Chúng Rub. gelatinosa có khả năng thủy phân tinh bột sống tạo chất trung gian là chất cho điện tử dùng để sản xuất hydro.

Thu các sản phẩm sinh học khác

Ubiquinon 10 (coenzyme Q10) là thành phần quan trọng trong chuỗi truyền điện tử trong hệ quang của VKQD. Coenzyme Q10 là tác nhân có tác dụng chống ôxi hóa, hỗ trợ hô hấp, hiệu quả trong điều trị tim mạch, rối loạn miễn dịch và ung thư. Các chủng được sử dụng làm nguồn ly trích ubiquinon 10 là Rhodopseudomonas sphaeroides, Rh. sulfidophilus, Rh. rubrum. Hợp chất 5- aminolevulinate (ALA) là một sản phẩm biến dưỡng ngoại bào của VKQD từ levulinic acid. ALA là thành phần của một loại thuốc diệt cỏ, trừ sâu sinh học thế hệ mới, hiện đang được sản xuất bằng con đường hóa tổng hợp nên giá thành khá cao. Poly hydroxybutyric acid (PHB) là vật liệu dự trữ trong tế bào VKQD. Đây là thành phần sản xuất chất dẻo sinh học có thể bị phân hủy bởi vi sinh vật. PHB có tiểm năng ứng dụng trong sản xuất dược phẩm, mỹ phẩm, đề nhựa.

Ngoài ra VKQD tía không lưu huỳnh còn có khả năng sản xuất nhiều vitamin B₁₂.

3.2. Xử lý nước thải bằng vi khuẩn quang dưỡng tía không lưu huỳnh

VKQD tía không lưu huỳnh có đặc tính sử dụng các hợp chất sulfide, thiosulphate làm chất cho điện tử. Chúng có khả năng sử dụng nhiều nguồn carbon hữu cơ khác nhau và các nguồn nitơ hữu cơ phức tạp. Một số có thể tăng trưởng trong điều kiện kỵ khí, vi hiếu khí và hiếu khí hoàn toàn. Dựa trên các đặc điểm này, một số nước trên thế giới như Đức, Brazil, Nhật đã nghiên cứu ứng dụng VKQD vào xử lý nước thải công nghiệp, nông nghiệp và bệnh viện. Các hệ thống xử lý nước thải có hiệu quả được thiết kế trên cơ sở sử dụng phối hợp VKQD và tảo. Đa số các chủng được sử dụng là VKQD tía không lưu huỳnh. Chỉ một vài loài là VKQD tía lưu huỳnh. Ngoài ra VKQD cũng được thử nghiệm và đưa vào ứng dụng có hiệu quả trong việc sản xuất sinh khối kết hợp với xử lý chất thải, nước công nghiệp và bệnh viện.

Ứng dung trong phân giải các hợp chất carbon hữu cơ

Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học như carbohydrate, protein, chất béo… trong nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp… thường gây tác hại lớn đối với môi trường thủy sẵn vì làm cạn ôxi tan trong nước, gây chết tôm, cá…. VKQD ta không lưu huỳnh được ứng dụng trong xử lý nước thải có chứa các hợp chất carbon hữu cơ như nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm.

Ứng dụng trone chuyển hóa các hợp chất nitơ và ammonia

Sản phẩm phân hủy trung gian của protein có thể là các chất dẫn xuất chứa lưu huỳnh, phospho có tính độc và gây mùi khó chịu. VKQD tía không lưu huỳnh sử dụng nguồn dinh dưỡng từ protein để xây dựng tế bào. Ammonia, một số hợp chất hữu cơ có chứa nitơ là nguồn đạm của VKQD tía không lưu huỳnh. Một số loài sử dụng được nitrate, một số loài có khả năng sử dụng N₂. Dựa vào các đặc điểm trên, VKQD tía không lưu huỳnh được sử dụng xử lý nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm chứa nhiều đạm.

Ứng dụng trong chuyển hóa các hợp chất sulfide

VKQD có thể sử dụng H₂S có trong nước thải trong điều kiện ky khí. Hydrogen sulfide được tạo ra trong nước thải hữu cơ ở điều kiện ky khí và là sản phẩm phụ của quá trình khử đị hóa sulphate hoặc hô hấp ky khí sulphate.

Ở một số nước phát triển như Nhật Bản, Mỹ, VKQD có khả năng chuyển hóa sulfide được sử dụng để xử lý nước thải do ít tốn kém và đơn giản. Việc xử lý nước thải trong hệ thống ky khí làm giảm lượng sulfide thoát ra môi trường xung quanh do đó góp phần làm giảm mùi do sulfide gây ra.

3.3. Các ứng dụng khác

Trong sản xuất nông nghiệp, việc sử dụng số lượng lớn các chất dị sinh làm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm… làm tích tụ các hợp chất này trong môi trường gây ảnh hưởng lớn đến hệ vi sinh vật đất, gây hại cho người và sinh vật khác. Một số loài VKQD có khả năng biến dưỡng tốt các hợp chất này. Và được nghiên cứu để xử lý các hợp chất dị vòng khó phân hủy. Rps. palustris tăng trưởng được trong môi trường có nồng độ carbendazim 900mg/l. Rps. palusiris, Rps. acldophila Rhodobacter sphaeroides và Rhodobacier genlatinosa có khả năng sử dụng thuốc diệt cỏ.

Nguồn: Điền Huỳnh Ngọc Tuyết

Xem thêm bệnh hại trên hoa Hồng tại ĐÂY