Dinh dưỡng, chuyển hoá vật chất và năng lượng ở vi sinh vật

1. Dinh dưỡng của vi sinh vật

Quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng phù hợp với nhu cầu sinh trưởng và phát triển của cơ thể được gọi là quá trình dinh dưỡng. Chất dinh dưỡng của vi sinh vật phải là những chất tham gia vào quá trình trao đổi chất nội bào hoặc là nguyên liệu cấu trúc hoặc là nguyên liệu năng lượng và các nguyên tố quan trọng C, H, O, N, P, S, K, Na,… Dựa vào nguồn thức ăn cacbon, người ta phân vi sinh vật thành các nhóm sinh lý sau đây:

            + Tự dưỡng:

+ Tự dưỡng quang năng:	Nguồn C là CO2; nguồn năng lượng là ánh sáng mặt trời
+ Tự dưỡng hoá năng:	Nguồn C là CO2; nguồn năng lượng là một số hợp chất vô cơ đơn giản

            + Dị dưỡng:

+ Dị dưỡng quang năng:	Nguồn C là chất hữu cơ…, nguồn năng lượng là ánh sáng (vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía)
+ Dị dưỡng hoá năng:	Nguồn C là chất hữu cơ, nguồn năng lượng là từ sự chuyển hoá trao đổi chất của chất nguyên sinh của một cơ thể khác (chẳng hạn nấm, một số vi khuẩn…)
+ Hoại sinh:	Nguồn C là chất hữu cơ. Nguồn năng lượng là từ sự trao đổi chất của chất nguyên sinh các xác hữu cơ
+ Ký sinh:	Nguồn C là chất hữu cơ. Nguồn năng lượng lấy từ các tổ chức hoặc dịch thể của cơ thể kí sinh. Ví dụ các vi sinh vật gây bệnh cho người, động vật, thực vật.

 

Tuỳ nhóm vi sinh vật mà nguồn C được cung cấp có thể là chất vô cơ (CO₂, NaHCO₃,…) hoặc chất hữu cơ. Giá trị dinh dưỡng và khả năng hấp thụ các nguồn thức ăn C khác nhau phụ thuộc 2 yếu tố: 1. Thành phần hoá học và tính chất sinh lý của nguồn thức ăn. 2. Đặc điểm sinh lý của từng loại vi sinh vật. Vi sinh vật có thể đồng hoá được cả các hợp chất C rất bền vững như cao su, chất dẻo, dầu mỏ, parafin, khí thiên nhiên, ngay cả focmon là một hoá chất diệt khuẩn rất mạnh nhưng cũng có nhóm nấm sợi sử dụng làm thức ăn.

Nhiều chất hữu cơ vì không tan được trong nước hoặc vì có khối lượng phân tử quá lớn nên trước khi được hấp thụ, vi sinh vật tiết ra các E thuỷ phân (amilaza, xenluloza, pectinaza, lipaza, …) để chuyển hoá chúng thành các hợp chất dễ hấp thụ (đường, Axit amin, Axit béo,…).

2. Chuyển hoá vật chất và năng lượng ở vi sinh vật

2.1. Sự Oxy hóa sinh học và sinh năng lượng ở các vi sinh vật dị dưỡng

Sự Oxy hóa sinh học là khái niệm chung để chỉ một loạt các phản ứng Oxy hóa sinh năng lượng xảy ra trong các tế bào sống. Sự Oxy hóa sinh học và Oxy hóa phi sinh học (sự cháy) có điểm giống nhau (cùng Oxy hóa chất hữu cơ để giải phóng năng lượng) nhưng có điểm khác nhau như các bước phản ứng, chất xúc tác, hình thái năng lượng…

Ở vi sinh vật, sự mất Hidro của cơ chất có thể diễn ra theo các con đường khác nhau như con đường EMP, HMP, ED và chu trình Crep. Ở mỗi con đường đều có chức năng mất Hidro, sinh năng lượng và sản sinh các sản phẩm trao đổi chất phân tử nhỏ cung cấp nguyên liệu cho các phản ứng sinh tổng hợp. Hidro tách ra được vận chuyển đến cuối cùng là Oxy tiếp nhận tạo ra nước (hình 1).

Cũng như trong các tế bào sinh vật khác, trong tế bào vi sinh vật 1mol Glucoza phân giải qua con đường EMP (Embden - Meyerphof - Parnas pathway) và chu trình ATC (chu trình Crep) và tất cả Hidro tách ra đều đHình 2. ược chuyển vào chuỗi hô hấp để tạo thành H₂O sẽ cho tổng cộng 38 phân tử ATP. Sự tính toán này đúng với cả ti thể và một số vi khuẩn. Tuy nhiên ở hầu hết vi khuẩn, do chỉ có hai vị tử Photphoryl hóa (P/O = 2) nên sự hô hấp Glucoza hiếu khí, ví dụ ở E.coli chỉ cho 26 ATP ( hình 2).

2.2. Sự Oxy hóa sinh học sinh năng lượng và cố định CO₂ ở các vi sinh vật tự dưỡng

Nguồn năng lượng đầu tiên của vi sinh vật dị dưỡng và vi sinh vật tự dưỡng tuy rất khác nhau nhưng bản chất của quá trình Oxy hóa sinh học của chúng là giống nhau, đều bao gồm 3 giai đoạn: Mất H, chuyển H và tiếp nhận H, các phản ứng Photphoryl hóa xảy ra trong quá trình Oxy hóa đã tạo ra ATP là nguồn năng lượng thông dụng cần thiết cho hoạt động sống.

Quá trình Oxy hóa sinh học sinh năng lượng ở vi sinh vật tự dưỡng có rất nhiều loại hình khác nhau. Cơ chế phức tạp, thậm chí ở một số nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa năng vẫn còn biết được rất ít. Dù là tự dưỡng hóa năng vô cơ hay dưỡng quang năng vô cơ thì trong hoạt động sống của vi sinh vật phản ứng quan trọng nhất là đem CO₂ khử thành chất hữu cơ giản đơn ở dạng [CH₂O], sau đó tiếp tục sinh tổng hợp thành các thành phần phức tạp của tế bào. Đây là một quá trình tiêu hao nhiều năng lượng và tiêu hao [H] có năng lực khử.

Ở các vi sinh vật tự dưỡng hóa năng vô cơ, tất cả các ATP được sinh ra qua quá trình Oxy hóa sinh học các chất vô cơ ở trạng thái khử, còn [H] có năng lực khử được sinh ra trong quá trình tiêu hao ATP để chuyển H vô cơ (H⁺ + e) trong chuỗi hô hấp.

Ở các vi sinh vật tự dưỡng quang năng thì ATP và [H] được thu nhập từ quá trình Photphoryl hóa quang hợp tuần hoàn, quá trình Photphoryl hóa quang hợp không tuần hoàn hoặc quá trình Photphoryl hóa quang hợp thông qua màng (hình 3).

Lên men là quá trình Oxy hóa khử cơ chất mà kết quả là một phần cơ chất bị khử còn một phần khác lại bị Oxy hóa. Oxy hóa phân tử không tham gia vào quá trình Oxy hóa này mà ở đây sở dĩ có Oxy hóa chỉ do có sự tách Hidro ra khỏi cơ chất. Năng lượng sinh ra trong quá trình lên men được chi phí một phần cho các phản ứng khử, ngoài ra còn được tích lũy vào các liên kết cao năng. Tuy nhiên năng lượng sinh ra trong các quá trình lên men ít hơn nhiều so với trong quá trình hô hấp hiếu khí.

Trong quá trình lên men NADH sinh ra khi đường phân (con đường EMP) không được chuyển đến Oxy phân tử qua chuỗi chuyền điện tử. Sự tái tạo NAD⁺ được chuyển biến nhờ tác dụng với Axit piruvic hoặc các hợp chất sinh ra từ Axit piruvic.

Trong các tế bào của vi sinh vật kị khí bắt buộc, người ta thường thấy sự có mặt của nhiều E hô hấp như Xitocrom a, b, c, Peroxidaza, Catalaza,…

Khác với hô hấp hiếu khí, sản phẩm cuối cùng của các quá trình lên men ngoài CO₂, còn có các hợp chất Cacbon chưa được Oxy hóa hoàn toàn như rượu, Axit hữu cơ, Keton, Aldehyt,… Sự chuyển hóa từ giai đoạn Axit piruvic trở đi ở các vi sinh vật khác nhau là không giống nhau. Người ta thường lấy tên của sản phẩm điển hình được tích lũy trong từng loại lên men để gọi tên của quá trình lên men ấy. Ví dụ lên men Lactic, lên men Etylic,… Tuy nhiên cũng có một số quá trình lên men lại lấy tên cơ chất chủ yếu để gọi tên quá trình lên men.

Ở vi sinh vật có nhiều kiểu lên men tạo ra các sản phẩm khác nhau được thực hiện bởi các nhóm vi sinh vật khác nhau.

- Lên men rượu Etylic được thực hiện chủ yếu bởi nấm men, đặc biệt là chủng Saccharomyces cirevidiac.

- Lên men Lactic được thực hiện chủ yêu bởi vi khuẩn Streptococus latis.

- Lên men Butiric là quá trình lên men tạo ra Axit butiric và một số sản phẩm khác, được thực hiện bởi một nhóm vi khuẩn kị khí sinh bào tử thuộc chi Clostridium.

Ngoài những ví dụ các kiểu lên men nói trên thì còn nhiều kiểu lên men khác được vi sinh vật thực hiện như lên men Propionic, lên men Focmic, lên men Xenluloza, lên men Axetat,…

Cơ chế chung của một số quá trình lên men quan trọng tóm tắt như sơ đồ sau:

* Các quá trình Oxy hóa không hoàn toàn

Phần lớn các vi sinh vật hiếu khí Oxy hóa chất dinh dưỡng hữu cơ thành CO₂ và H₂O (hô hấp) được gọi là Oxy hóa hoàn toàn. Tuy nhiên một số vi sinh vật có khả năng Oxy hóa cơ chất trong điều kiện hiếu khí nhưng lại làm sản sinh ra những sản phẩm chưa được Oxy hóa hoàn toàn như KetoAxit, Axit Aetic, Axit Xtric, Axit Fumaric,… Vì có sự tích lũy các sản phẩm tương tự quá trình lên men kị khí nên được gọi là quá trình "lên men". Rất nhiều quá trình Oxy hóa không hoàn toàn có ý nghĩa quan trọng trong công nghiệp lên men vì chúng tạo ra các sản phẩm có giá trị.

Một số ví dụ về sự Oxy hóa không hoàn toàn có giá trị:

            - Quá trình Oxy hóa Etanol thành Axit axetic: từ xưa người ta đã để chua rượu vang để tạo thành giấm, giấm được tạo thành từ một dung dịch rượu vang để tĩnh. Người ta cho sự biến đổi này là quá trình lên men gọi là lên men Axetic. Vì thực chất đây là một quá trình Oxy hóa không hoàn toàn được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn gọi là vi khuẩn axetic thuộc chi Acetobacte.

            - Quá trình Oxy hóa này biểu thị như sau:

C₂H₅OH + O₂ à CH₃COOH + H₂O

Hàng năm các nước trên thế giới tiêu thụ một lượng giấm rất lớn tới khoảng 160.000 tấn Axit tinh khiết. Hiện nay khối lượng Axit axetic được sản xuất ở quy mô công nghiệp hàng năm rất lớn để sử dụng trong các ngành công nghiệp (sản xuất este, axetyl, axetat xenluloze, tổng hợp chất diệt cỏ,…).

            - Oxy hóa Saccaroza thành Axit xitric: Nấm sợi là nhóm vi sinh vật hiếu khí, chúng không có khả năng lên men kị khí nhưng trong nhiều trường hợp chúng có thể làm tích lũy lại trong môi trường những sản phẩm chưa được Oxy hóa triệt để, phố biến nhất là các Axit hữu cơ. Một trong những nấm sợi đó là Aspergillus niger. Người ta đã phát hiện thấy nhiều nơi A. niger có khả năng tích lũy khá nhiều Axit limonic (Axit xitric).

Phương trình chung của sự chuyển hóa đường thành Axit xitric biểu thị như sau:

C₁₂H₂₂O₁₁                   C₆H₁₂O₆                      Axit Xitric + 2 H₂O + x Kcal

Axit xitric là một loại Axit hữu cơ không độc, được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân. Có khoảng 70% Axit xitric sử dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm (sản xuất nước ngọt, bánh, kẹo, mứt, chống oxy hóa dần, bảo quản thực phẩm).

Ở nước ta hàng năm phải nhập khoảng 500 - 1000 tấn Axit xitric, chủ yếu sử dụng trong công nghiệp thực phẩm.

3. Quá trình tổng hợp và phân giải các chất ở vi sinh vật

3.1. Quá trình sinh tổng hợp

Khi đưa vào môi trường nuôi cấy vi khuẩn các hợp chất có khối lượng phân tử thấp như Axit amin, Glucoza và pirimidin… thì nhiều vi khuẩn có khả năng hấp thụ trực tiếp các chất trên. Nhưng khi môi trường thiếu các chất này, vi khuẩn phải tự tổng hợp từ các tiền chất đơn giản hơn. Nguồn quan trọng cung cấp các tiền chất đó là từ chu trình Tricacboxilix (chu trình Crep).

Việc tổng hợp các chất cao phân tử có điểm chung là một trong các chất phản ứng phải cung cấp năng lượng cho bước trùng hợp tạo ra các chất cao phân tử. Chẳng hạn, việc tổng hợp Hydrat cacbon cần có năng lượng để hình thành liên kết Glucozit, tổng hợp Protein cần có năng lượng để tạo liên kết Peptit,… Trong tất cả các trường hợp thành phần có khối lượng phân tử thấp trong tế bào là phân tử được hoạt hóa để đảm nhận cung cấp năng lượng. Chẳng hạn, các Nucleotit là tiền chất của Axit Nucleic, monasaccarit là tiền chất của các Polisaccarit, các tiền chất Axit amin của Protein thì ở dạng các Anhidrit Axit hỗn hợp với Axit Photphoric, các bazo purin và Pirimidin cần cho tổng hợp Axit nucleotit thì ở dạng các Nucleotit triphotphat. Trong đó quan trọng nhất là tổng hợp Protein và Axit Nucleic.

- Sinh tổng hợp Axit amin và Protein: phần lớn vi sinh vật đều có khả năng tự tổng hợp được các loại Axit amin. Thông qua quá trình sinh tổng hợp Protein tại riboxom trong tế bào dưới sự điều khiển của gen qua cơ chế phiên mã và dịch mã, các Axit amin liên kết với nhau bằng liên kết peptit tạo ra phân tử Protein.

- Sinh tổng hợp Polisaccarit: Polisaccarit được tổng hợp bằng cách kéo dài chuỗi saccarit có trước nhờ việc thêm đơn vị monosaccarit (X). Đơn vị monosaccarit này tham gia vào phản ứng ở dạng nucleotit - monosaccarit được hoạt hóa, thường là dẫn xuất của Uridin - diphotphat (UDP - X) cũng có lúc với các nucleotit purin hay pirimidin khác. Sự tổng hợp diễn ra theo phản ứng chung:

X.X.X.X.X.X + UDP = X.X.X.X.X.X.X + UDP

(Glucoza nX)               (Glucoza n+1)

- Sinh tổng hợp các Axit béo và Lipit: Từ các sản phẩm tham gia  trong quá trình đường phân và chu trình hep được tổng hợp thành Glixerol và các Axit béo. Từ Glixerol và các Axit béo sẽ được tổng hợp thành Lipit.

- Sinh tổng hợp các Nucleotit và Axit Nucleic: Quá trình sinh tổng hợp bazo purin và Primidin rất phức tạp và không có liên quan với nhau, nhưng có một đặc điểm chung đều là dẫn đến việc hình thành trực tiếp Nucleotit. Thông qua cơ chế sao chép và cơ chế phiên mã mà các Nucleotit liên kết với nhau tạo ra các Axit Nucleic (ADN hoặc ARN).

3.2.  Quá trình phân giải các chất

Sự phân giải Protein (quá trình thối rữa): Cơ chất của quá trình thối rữa là Protein. Protein là một trong những thành phần quan trọng của xác động vật, thực vật và vi sinh vật. Protein thường chứa khoảng 15 - 17,6% nito (tính theo chất khô). Sự phân giải các hợp chất hữu cơ chứa nito có ý nghĩa lớn đối với nông nghiệp và đối với vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên. Người ta gọi quá trình phân giải Protein là quá trình anion hóa.

- Để phân giải Protein cũng như phân giải các hợp chất cao phân tử khác thì vi sinh vật phải tiết ra các E phân giải Protein ngoại bào làm chuyển hóa Protein thành những hợp chất có phân tử nhỏ hơn (các Polipeptit và các Oligopeptit). Các chất này hoặc tiếp tục được phân giải thành Axit amin nhờ E peptidaza ngoại bào hoặc được xâm nhập ngay vào tế bào vi sinh vật, sau đó mới chuyển hóa thành Axit amin. Một phần các Axit amin được vi sinh vật sử dụng vào quá trình tổng hợp Protein của chúng, một phần được phân giải theo các con đường khác nhau để sinh ra NH₃, CO₂ và nhiều sản phẩm trung gian khác.

Những vi sinh vật không có khả năng sinh ra các E phân giải Protein ngoại bào thì không đồng hóa được các loại Protein thiên nhiên. Chúng chỉ có thể sử dụng các sản phẩm thủy phân Protein (Polipeptit, Oligopeptit, Axit amin). Sơ đồ tóm tắt quá trình này  trong hình 4.

Rất nhiều loài vi sinh vật khác nhau tham gia quá trình anion hóa trong tự nhiên (nhiều loài vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm).

Trong cơ thể vi sinh vật, Axit amin thường được chuyển hóa nhờ quá trình khử amin và quá trình khử cacboxyl hoặc đồng thời vừa khử amin vừa khử cacboxyl tạo ra NH₃, CO₂ và các sản phẩm trung gian khác (rượu, Axit hữu cơ…).

Một số vi khuẩn (như E.coli…) có khả năng chuyển hóa triptophan thành hai chất có mùi hôi là indol và skatol. Skatol chính là chất tạo ra mùi thối nhiều nhất ở phân. Bản thân indol có mùi hôi nhưng nếu thêm một chút indol vào este của một số hoa (như hoa nhài) thì lại tạo nên một mùi thơm đặc biệt (được sử dụng trong công nghiệp chế tạo nước hoa).

Trong quá trình phân giải Axit amin chứa S (như netionin, xistein,…) sẽ sinh ra H₂S góp phần làm cho phân hoặc thịt cá thối rữa có mùi hôi.

Ngoài phân giải Protein, vi sinh vật còn có khả năng phân giải một số hợp chất hữu cơ nito khác như phân giải các bazo nitơ, Axit uric…

- Phân giải Lipit và các Axit béo: Lipit (là các este phức tạp của Glixerol và Axit béo và các chất sáp (là các este phức tạp của Axit béo và phân tử Glixerol) được nhiều loại vi sinh vật dùng làm nguồn thức ăn cacbon và nguồn năng lượng. Lipit, sáp và các Axit béo chứa trong xác động vật, thực vật bị vùi lấp vào đất sau một thời gian sẽ bị phân giải và đồng hóa hết nhờ nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau (vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc).

- Bước đầu của quá trình đồng hóa Lipit và sáp là phân giải chúng thành Glixerol và Axit béo như E lipaza nội bào hoặc ngoại bào. Cũng có những nhóm vi khuẩn có khả năng sinh ra photpholipaza chuyên xúc tác thủy phân phopholipit.

Sau khi được photphoryl hóa, glixerol sẽ được tiếp tục chuyển hóa theo con đường EMP và tích lũy năng lượng vào ATP. Còn sự đồng hóa Axit béo được thực hiện nhờ các  quá trình Oxy hóa và cuối chùng toàn bộ chuỗi cacbon bị chuyển hóa thành axetyl - CoA. Chất này sẽ được tiếp tục Oxy hóa thông qua chu trình Crep hoặc Glioxilic.

- Phân giải Polisaccarit: Nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng phân giải ngoại bào các Polisaccarit (tinh bột, xenlulozo…) nhờ các E amilaza, xenlulaza tạo ra đường đơn (monosaccarit), sau đó các đường đơn này được vi sinh vật hấp thụ vào tế bào và phân giải tiếp tục theo các con đường hô hấp hiếu khí, kị khí hay lên men.