1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI KHUẨN QUANG HỢP TÍA PHI LƯU HUỲNH
Vi khuẩn quang hợp tía là các tế bào gram âm, đơn bào, có các dạng cầu, xoắn, hình que ngắn, hình phẩy… đứng riêng rẽ hoặc thành chuỗi. Các loài vi khuẩn quang hợp tía đều sinh sản bằng cách nhân đôi, một số loài sinh sản bằng cách nảy chồi.
Vi khuẩn quang dưỡng (VKQD) có khả năng chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học bởi quá trình quang hợp kỵ khí. VKQD tía thường có màu hồng đến màu đỏ tía, sắc tố quang hợp chính là bacteriochlorophylla a và b. Cơ quan quang hợp là màng quang hợp được gắn với màng tế bào.
Năm 1907, Molisch là người đầu tiên phát hiện ra các vi khuẩn có sắc tố màu đỏ và có khả năng quang hợp, nên ông gọi chung vi khuẩn quang hợp này là bộ Rhodobacteria Molisch 1907. Nhóm này gồm hai họ là Thiorhodaceae (những vi khuẩn tía có khả năng hình thành giọt lưu huỳnh bên trong tế bào) và Athiorhodaceae (là những vi khuẩn tía không có khả năng hình thành giọt bên trong tế bào). Năm 1971, Pfenning và Truper thay đổi tên bộ thành Rhodospirillales và hai họ Chromatiaceae và Rhodospirillaceae. Imhoff (984) chia nhóm VKQD tía lưu huỳnh thành hai họ là Chromatiacea, Ectothiorhodospriraceae và vi khuẩn tía không lưu huỳnh thành họ Rhodospirillaceae. Các thành viên của họ Chromatiacea có đặc điểm là khi tăng trưởng trên môi trường có sulfide và sử dụng chất này là chất cho điện tử sẽ hình thành hạt lưu huỳnh bên trong tế bào. Theo Hansen (1974), vi khuẩn thuộc họ Rhodospirillaceae có khả năng sử dụng sulfide nhưng không tạo lưu huỳnh bên trong tế bào, chủng oxy hóa sulfide thành hợp chất có mức oxy hóa cao hơn như sulphate hoặc tetrathionate hoặc tạo lưu huỳnh bên ngoài tế bào. Nhờ đặc tính sinh lý này nên có thể dễ dàng phân biệt được vi khuẩn tía lưu huỳnh và vi khuẩn tía không lưu huỳnh dựa trên cơ sở sinh lý (dựa trên khả năng chứa và sử dụng sulfide của chúng). Nhóm vi khuẩn tía lưu huỳnh là các loài có thể chống chịu được hàm lượng sulfide trong môi trường ở mức độ cao và trong quá trình oxy hóa sulfide, "giọt" lưu huỳnh được tích lũy bên trong tế bào, trong khi đó nhóm vi khuẩn tía không lưu huỳnh thì có thể chống chịu sulfide ở mức độ thấp hơn và không tích lũy giọt lưu huỳnh bên trong tế bào.
.png)
Họ Rhodospirillaceae với phương thức biến dưỡng quang năng dị dưỡng là nhóm quan trọng nhất trong tất cả các VKQD và được ứng dụng nhiều đặc biệt trong xử lý nước và nuôi trồng thủy sản. Ở nhóm này, năng lượng được thu nhận từ ánh sáng và nhiều hợp chất cacbon đơn giản được sử dụng làm nguồn cacbon, không cần thực hiện phản ứng cố đinh CO2. Nhiều giống có khả năng tăng trưởng theo phương thức quang năng tự dưỡng với nguồn cacbon chính cho các phản ứng đồng hóa là CO2.
Hầu hết các loài đều thuộc họ Rhodospirillaceae là loài vi hiếu khí, nhiều loài phát triển với điều kiện oxy không khí trong điều kiện có hoặc không có ánh sáng. Sự tạo thành sắc tố của hệ quang trên màng tế bào chất được điều hòa bởi nồng độ oxy. Vi khuẩn tía không lưu huỳnh ưa thích điều kiện sinh trưởng dị dưỡng, sử dụng các chất hữu cơ đơn vừa làm nguồn cho điện tử, vừa làm nguồn cacbon. Nhiều đại diện của họ vi khuẩn này có khả năng sinh trưởng quang tự dưỡng cacbon với sự có mặt nguồn cho điện tử là các hợp chất khử của lưu huỳnh. Ở điều kiện kỵ khí tối, một số loài như Rhodobacter capsulatus, Rhodospirillum rubrum có thể tồn tại nhờ quá trình trao đổi chất theo kiểu hô hấp kỵ khí với sự có mặt của các chất nhận điện tử như nitrat, nitrit, NO, dimethylsulfua hay trimethylami N-oxide.
Khuẩn lạc Rhodopseudomonas sp. và Rhodobacter sp.
trên đĩa thạch và sinh khối trên ống nghiệm
2. MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA VI KHUẨN TÍA KHÔNG LƯU HUỲNH
2.1. Quang tổng hợp
Vi khuẩn quang dưỡng tía phi lưu huỳnh là vi khuẩn quang dưỡng không sinh oxy, phát triển quang dưỡng dưới các điều kiện không có oxy và chiếu sáng không tạo oxy. Tất cả các loài có thể phát triển quang dị dưỡng hữu cơ sử dụng cơ chất hữu cơ như là chất cho điện tử và nguồn cacbon trong quá trình quang tổng hợp. Nhiều đại diện cũng có thể phát triển dưới điều kiện quang tự dưỡng vô cơ với việc phân giải các hợp chất sulfur, và sử dụng hydro và các ion sắt như là chất cho điện tử và CO2 như là nguồn cacbon.
Cũng như các VKQD khác, vi khuẩn tía phi lưu huỳnh quang hợp khác với vi khuẩn lam và các cơ thể quang hợp nhân thật ở một số điểm quan trọng. Đặc biệt, chúng không sử dụng nước là nguồn electron hoặc tạo thành O2 trong quang hợp nghĩa là chúng tiến hành quang hợp không thải O2. Trái lại, vi khuẩn lam và các sinh vật quang hợp nhân thật hầu như bao giờ cũng thải oxy (một số vi khuẩn lam có thể tiến hành quang hợp không thải oxy dưới 1 số điều kiện, chẳng hạn Oscillatoria có thể sử dụng H2S làm chất cho electron thay cho H2O). Trong phản ứng sáng của quang hợp ở vi khuẩn tía NADPH không được tạo thành trực tiếp. Tuy nhiên, vi khuẩn lục có thể khử NAD+ trực tiếp trong phản ứng sáng. Để tổng hợp NADH và NADPH, VKQD sử dụng các chất cho electron như hydro, sulfua hydro, sulfur nguyên tố và các hợp chất hữu cơ là các chất có thể khử âm hơn nước và vì vậy dễ oxy hoá hơn (nghĩa là các chất cho electron tốt hơn). Cuối cùng, VKQD chứa các sắc tố quang hợp hơi khác nhau gọi là bacteriocholorophyll, nhiều trong số chúng có điểm cực đại hấp thu ở những bước sóng dài hơn. Các bacteriocholorophyll a và b có đỉnh cực đại trong ête lần lượt ở 775 và 790 nm. Đỉnh cực đại in vivo của bacteriocholorophyll a là khoảng 830-890 nm và của bacteriocholorophyll b là 1020-1040 nm. Sự chuyển dịch của cực đại hấp thu vào vùng hồng ngoại như vậy sẽ giúp cho vi khuẩn thích ứng tốt hơn với các môi trường sinh thái.
Bảng: Đặc tính của các hệ thống quang hợp vi sinh vật (Theo Prescott và cs, 2005)
Quá trình quang tổng hợp không sinh oxy phụ thuộc vào sự hiện diện của một bộ máy quang tổng hợp liên kết màng phức tạp, bao gồm trung tâm phản ứng và các phức hợp protein-sắc tố thu nhận ánh sáng (anten). Các protein của trung tâm phản ứng và của anten liên kết không cùng hóa trị với diệp lục khuẩn, carotenoid và các nhân tố cùng tác động (cofactor). Hầu hết vi khuẩn tía phi lưu huỳnh có hai phức hệ anten. Các phức hợp của trung tâm phản ứng được bao quanh bởi một anten nhân (một phức hệ anten B870 hoặc B890 đối với diệp lục khuẩn a và B1020 với diệp lục khuẩn b). Các loài như Rhodospirillum rubrum và Rhodobium marinum không có các phức hệ anten ngoại biên và có thể được nhận biết bởi sự hấp thu quang phổ của chúng ở bước sóng tối đa là 803 nm. Đa số vi khuẩn quang dưỡng tía phi lưu huỳnh có một loại phức hệ anten ngoại biên (B800-850).
Chức năng chủ yếu của bộ máy quang tổng hợp là sự kích thích của diệp lục khuẩn qua trung gian ánh sáng lên trung tâm phản ứng và đưa đến sự giải phóng điện tích và electron sẽ được chuyển xuyên qua màng. Đa số vi khuẩn tía thì có một hệ thống màng trong chứa bộ máy quang tổng hợp được hợp thành một thể thống nhất. Các màng trong này hình thành các túi, các ống nhỏ hoặc các cấu trúc mỏng và được nối liền với nhau thành màng tế bào chất. Chúng có thể được phân tách bằng cách ly tâm làm vỡ tế bào. Sự tạo ra các sắc tố quang hợp và phức hệ protein-sắc tố và cấu trúc màng tế bào bị ức chế bởi oxy, ngoại trừ Rhodocista centenaria (Yildiz và cộng sự, 1991).
Do thiếu hệ quang II nhiều sự khác biệt gặp ở vi khuẩn quang dưỡng tía. Những vi khuẩn này không thể sử dụng nước làm chất cho electron trong sự vận chuyển electron không vòng. Thiếu hệ quang II chúng không thể tạo thành O2 từ H2O trong quá trình quang hợp và bị hạn chế ở quang phosphoryl hoá vòng. Trên thực tế hầu như tất cả vi khuẩn sulfur màu tía và vi khuẩn sulfur màu lục là nhóm kỵ khí bắt buộc.
Khi cholorophyll P870 đặc biệt của trung tâm phản ứng bị kích hoạt nó sẽ chuyền một electron cho bacteriopheophytin. Sau đó các electron di chuyển đến các quinon rồi qua một chuỗi vận chuyển electron lại trở về P870 đồng thời ATP được tổng hợp. Do cũng cần NADH và NADPH để cố định CO2 nên chúng còn phải đối mặt với một vấn đề nữa. Chúng có thể tổng hợp NADH theo ít nhất ba con đường. Nếu vi khuẩn đang sinh trưởng trong sự có mặt của H2 có thể khử âm hơn của NAD+, hydro có thể được sử dụng trực tiếp để sản xuất ra NADH. Cũng như nhóm hoá dưỡng vô cơ, nhiều vi khuẩn tía quang dưỡng sử dụng PMF để đẩy ngược dòng electron trong chuỗi vận chuyển electron và chuyển các electron này từ các chất cho vô cơ hoặc hữu cơ tới NAD+. Các vi khuẩn sulfur màu lục như Chlorobium có lẽ khử NAD+ nhờ một dạng đơn giản của dòng electron quang hợp không vòng.
2.2. Đặc tính sinh lý và biến dưỡng
2.2.1. Quá trình trao đổi carbon
Các nguồn carbon hữu cơ có các chức năng hoàn toàn khác nhau trong các quá trình trao đổi chất như quang dưỡng, hô hấp, và lên men. Dưới các điều kiện phát triển quang dưỡng, chúng đóng vai trò chính như là một nguồn carbon của tế bào, nhưng hơn nữa chúng có thể có chức năng như là nguồn điện tử cho quá trình vận chuyển điện tử trong quá trình quang tổng hợp; với sự có mặt của các chất nhận điện tử vô cơ, chúng có thể bị đồng hóa. Suốt trong quá trinh hô hấp, phần chủ yếu của nguồn carbon bị oxy hóa hoàn toàn và chỉ một phần nhỏ bị đồng hóa thành vật chất tế bào. Trong quá trình lên men, cơ chất hoặc các sản phẩm dự trữ sẽ bị oxy hóa hoàn toàn, các hợp chất hữu cơ bị khử và H2 được tiết ra để tạo thế cân bằng oxy hóa khử trong tế bào.
