Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ của một số chủng vi khuẩn tía quang hợp tạo màng sinh học phân lập tại Việt Nam

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN HỦY HYDROCARBON
DẦU MỎ CỦA MỘT SỐ CHỦNG VI KHUẨN TÍA QUANG HỢP TẠO
MÀNG SINH HỌC PHÂN LẬP TẠI VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

HÀ NỘI – 2022


ii

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………

NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN HỦY HYDROCARBON
DẦU MỎ CỦA MỘT SỐ CHỦNG VI KHUẨN TÍA QUANG HỢP TẠO

MÀNG SINH HỌC PHÂN LẬP TẠI VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC
Chuyên ngành: Vi sinh vật học
Mã số: 9 42 01 07

Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. Lê Thị Nhi Công
2. PGS.TS. Đồng Văn Quyền

Hà Nội – 2022


iii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận án này, trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.
Lê Thị Nhi Cơng - Trưởng phịng Cơng nghệ sinh học mơi trường và PGS.TS.
Đồng Văn Quyền, Phó Viện trưởng Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam đã trực tiếp hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức và
những kinh nghiệm qúy báu trong suốt q trình học tập và thực hiện đề tài nghiên
cứu.
Tơi xin chân thành cảm ơn TS. Đỗ Thị Liên và tồn thể các anh, chị cán bộ
nhân viên phịng CNSH môi trường Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và đóng góp những lời khun bổ ích
trong suốt q trình học tập nghiên cứu để tơi có thể hồn thành luận án.
Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành đến Ban lãnh đạo Viện Công nghệ
sinh học, Ban lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ đã tạo mọi điều kiện cho
tôi được học tập và nghiên cứu trong suốt những năm qua.
Bên cạnh đó, tơi cũng xin chân thành cảm ơn chuyên viên Bùi Thị Hải Hà

phụ trách đào tạo của Viện Công nghệ sinh học và chuyên viên Nguyễn Thị Minh
Tâm phòng Đào tạo, Học viện Khoa học và Công nghệ đã giúp đỡ tôi hồn thành
những thủ tục cần thiết trong suốt q trình nghiên cứu sinh và bảo vệ luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Quỹ Nghiên cứu cơ bản cấp Nhà nước (Nafosted)
đã cấp kinh phí cho nhóm nghiên cứu.
Trong thời gian qua, tôi đã nhận được sự hỗ trợ nhiệt tình và tạo mọi điều
kiện thuận lợi từ trường ĐH Sư phạm Hà Nội 2 nơi tôi đang công tác, cùng với sự
giúp đỡ nhiệt tình cũng như những đóng góp quý báu của các bạn bè đồng nghiệp.
Nhân dịp này tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ q báu đó.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến những người thân trong gia
đình, những người bạn thân thiết đã luôn bên cạnh động viên và khích lệ tơi trong
suốt q trình học tập và nghiên cứu.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận án

Nguyễn Thị Minh Nguyệt


iv

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan:
Đây là cơng trình nghiên cứu của tôi và một số kết quả cùng cộng tác với các
cộng sự khác;
Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, một phần đã
được cơng bố trên các tạp chí khoa học chun ngành với sự đồng ý và cho phép
của các đồng tác giả;
Phần cịn lại chưa được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ đã được cảm ơn, các tài liệu trích dẫn đã
được chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2022

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Minh Nguyệt


v

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

3

Một số đặc điểm sinh học cơ bản của vi khuẩn tía quang hợp .

3

1.1.1. Giới thiệu chung về vi khuẩn tía quang hợp ...................................

3

1.2.2. Sinh thái học của vi khuẩn tía quang hợp .......................................

3

1.2.3. Đa dạng vi khuẩn tía quang hợp .....................................................

4

1.2.4. Đặc điểm của bộ máy quang hợp ....................................................

9

1.2.5. Dinh dưỡng carbon..........................................................................

12

1.1.

1.2.

Ứng dụng của vi khuẩn tía quang hợp để phân hủy
hydrocarbon dầu mỏ .....................................................................

13

1.2.1. Tính độc của hydrocarbon dầu mỏ ..................................................

13

1.2.2. Các phương pháp xử lý ô nhiễm dầu mỏ .........................................

18

1.2.3. Ứng dụng của vi khuẩn tía quang hợp để phân hủy hydrocarbon
dầu mỏ .............................................................................................
1.3.

22

Vi sinh vật có khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ và tạo
màng sinh học.................................................................................

24

CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........

30

2.1.

Vật liệu nghiên cứu ........................................................................

30

2.1.1. Ngun liệu ......................................................................................

30

2.1.2. Hóa chất, mơi trường ni cấy ........................................................

31

2.1.3. Các thiết bị máy móc .......................................................................

32

Phương pháp nghiên cứu ..............................................................

33

2.2.1. Các phương pháp phân tích vi sinh vật ...........................................

34

2.2.2. Các phương pháp sinh học phân tử.................................................

42

2.2.3. Nhóm phương pháp phân tích hóa học ...........................................

43

2.2.4. Xử lý thống kê ..................................................................................

43

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...........................................

44

2.2.


vi

3.1.

Kết quả phân lập và tuyển chọn các chủng VKTQH khả năng
tạo màng sinh học và phân hủy hydrocarbon dầu mỏ ...............

44

3.1.1. Kết quả phân lập các chủng VKTQH từ các mẫu nước và bùn ô
nhiễm dầu ........................................................................................

44

3.1.2. Tuyển chọn các chủng VKTQH khả năng tạo màng sinh học và
phân hủy hydrocarbon dầu mỏ ........................................................
3.2.

48

Các đặc điểm sinh học và định danh ba chủng DQ41, DD4 và
FO2 ..................................................................................................

56

3.2.1.

Các đặc điểm hình thái ...................................................................

56

3.2.2.

Trình tự 16S rRNA và định danh ba chủng DQ41, DD4 và FO2 ..

58

3.2.3. Các đặc điểm sinh học .....................................................................

59

3.3.

Ảnh hưởng của một số điều kiện môi trường đến sự hình
thành màng sinh học của 3 chủng VKTQH ................................

63

3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ...................................................................

63

3.3.2. Ảnh hưởng của pH ...........................................................................

64

3.3.3. Ảnh hưởng của nồng độ muối (NaCl) .............................................

65

3.4.

Hiệu suất phân hủy một số hydrocarbon dầu mỏ của màng
sinh học từ 3 chủng VKTQH ........................................................

66

3.4.1. Hiệu suất phân hủy một số hydrocarbon thơm bởi màng sinh học
đơn chủng không gắn giá thể của các chủng VKTQH được lựa
chọn .................................................................................................

66

3.4.2. Phân hủy hydrocarbon dầu mỏ bởi màng sinh học từ các VKTQH
lựa chọn ...........................................................................................

69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 97
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN ........................................................................................... 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 99


vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt
Tiếng Anh
BA
Benzoic acid
Bchl
Bacteriochlorophyl
BLAST
Basic local alignment search
tool
BOD
Biochemical oxygen demand
BTNMT
CB
Cinder bead
CF
Coconut fiber
CFU
Colony Forming Unit
COD
Chemical oxygen demand
DAD
Diode array detector
DNA
Deoxyribonucleic acid
DSMZ
Deutch
samplung
microorganism zentrum
GCMS
Gas chromatography – Mass

spectrometry
HPLC
High performance – Liquid
chromatography
MSH
OD
Optical density
PAH
Polycyclic
aromatic
hydrocarbon
PCR
Polymerase chain reaction
PUF
Polyurethare foam
QCVN
rARN
Ribosomal ribonucleic acid
RNA
Ribonucleic acid
TCVN
VK
VKTQH
PNSB
Purple
non-sulfur
photosynthetic bacteria
PSB
Purple sulfur photosynthetic
bacteria

VSV

Tiếng Việt
Axit benzoic
Cơng cụ tìm kiếm các trình tự
tương đồng
Nhu cầu oxy sinh hóa
Bộ tài ngun mơi trường
Sỏi nhẹ
Xơ dừa
Đơn vị hình thành khuẩn lạc
Nhu cầu oxy hố học
Detectơ dãy diode
Axit đeoxyribônuclêic
Trung tâm lưu trữ giống vi sinh
vật – Đức
Sắc kí khối phổ
Sắc kí lỏng cao áp
Màng sinh học
Mật độ quang
Hydrocacbon thơm đa vòng
Chuỗi phản ứng trùng hợp
Mút xốp
Quy chuẩn Việt Nam
Axit ribônuclêic ribôxôm
Axit ribônuclêic
Tiêu chuẩn Việt Nam
Vi khuẩn
Vi khuẩn tía quang hợp
Vi khuẩn tía quang hợp khơng lưu

huỳnh
Vi khuẩn tía quang hợp lưu huỳnh
Vi sinh vật


viii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1.

Các chi vi khuẩn tía quang hợp ..................................................

6

Bảng 1.2.

Những ảnh hưởng đến sức khỏe con người và động vật ............

17

Bảng 1.3.

Các chi vi khuẩn có khả năng phân huỷ hiếu khí hydrocarbon 24
thơm ............................................................................................

Bảng 1.4.

Các chi vi khuẩn có khả năng phân huỷ hiếu khí hydrocarbon 24
no ................................................................................................

Bảng 1.5.

Các nhóm vi khuẩn có khả năng phân huỷ kỵ khí hydrocarbon

25

Bảng 2.1.

Các loại giá thể ...........................................................................

31

Bảng 3.1.

Kết quả phân lập các chủng VKTQH từ mẫu các mẫu nước và
bùn ô nhiễm dầu ..........................................................................

Bảng 3.2.

Khả năng sinh trưởng và phát triển của các chủng VKTQH đã
phân lập được (theo ∆OD800) ......................................................

Bảng 3.3.

67

Sự phân hủy thành phần (%) của 20 (g) dầu thô sau 14 ngày
nuôi cấy .......................................................................................

Bảng 3.7.

62

Khả năng phân hủy một số hydrocarbon thơm của màng sinh
học do 3 chủng VKTQH tạo thành sau 14 ngày nuôi cấy. .........

Bảng 3.6.

56

So sánh mức độ sử dụng một số nguồn C của ba chủng DQ41,
DD4 và FO2 với đại diện của loài Rhodopseudomonas .............

Bảng 3.5.

48

Khả năng sinh trưởng và phát triển trên các nguồn cơ chất của
VKTQH ......................................................................................

Bảng 3.4.

45

90

Sự phân hủy hydrocacbon no (%) của dầu thô sau 14 ngày
nuôi cấy bởi MSH đơn chủng và đa chủng VKTQH không giá
thể................................................................................................

93


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1.

Hình ảnh chụp dưới kính hiển vi huỳnh quang của VKTQH ... 5

Hình 1.2.

Sơ đồ vị trí các thành phần của bộ máy quang hợp sơ cấp ở
VKTQH .................................................................................... 10

Hình 1.3.

Quang hợp ở vi khuẩn tía khơng lưu huỳnh ............................. 11

Hình 2.1.

Hình ảnh các loại giá thể .......................................................... 31

Hình 2.2.

Sơ đồ các bước thí nghiệm thực hiện trong luận án ................. 33

Hình 2.3.

Sơ đồ xử lý sơ bộ các loại giá thể ............................................. 39

Hình 2.4.

Chi tiết mơ hình xử lý hydrocarbon dầu mỏ ............................. 40

Hình 2.5.

Các giai đoạn trong mơ hình xử lý hydrocarbon dầu mỏ ......... 41

Hình 3.1.

Mẫu bùn ơ nhiễm dầu trước và sau làm giàu ............................... 44

Hình 3.2.

Một số khuẩn lạc VKTQH được phân lập từ mẫu làm giàu ..... 45

Hình 3.3.

Khả năng tạo MSH dựa trên khả năng bắt giữ tím tinh thể của
MSH do các chủng VKTQH tạo thành ..................................... 50

Hình 3.4.

Khả năng tạo màng sinh học của các chủng VKTQH phân
hủy hydrocarbon dầu mỏ và Acinetobacter calcoaceticus P23

Hình 3.5.

50

Khả năng sinh trưởng của 10 chủng VKTQH sau 7 ngày nuôi
cấy ở các nồng độ dầu diesel khác nhau ................................... 51

Hình 3.6.

Dịch ni cấy của 10 chủng VKTQH ở 10% dầu diesel sau 7
ngày ni cấy ............................................................................ 51

Hình 3.7.

Khả năng sinh trưởng của 10 chủng VKTQH ở các nồng độ
toluene khác nhau sau 7 ngày nuôi cấy .................................... 52

Hình 3.8.

Dịch ni cấy của 10 chủng VKTQH ở 250 ppm toluene sau
7 ngày ni cấy ......................................................................... 52

Hình 3.9.

Khả năng sinh trưởng của 10 chủng VKTQH sau 7 ngày nuôi
cấy ở các nồng độ phenol khác nhau ........................................ 53

Hình 3.10. Dịch nuôi cấy của 10 chủng VKTQH ở 150 ppm phenol sau 7
ngày ........................................................................................... 53
Hình 3.11. Khả năng sinh trưởng của 10 chủng VKTQH ở các nồng độ
naphthalene khác nhau sau 7 ngày ni cấy ............................. 54
Hình 3.12. Dịch ni cấy của 10 chủng VKTQH ở nồng độ 200 ppm

x

naphthalene sau 7 ngày ni cấy .............................................. 54
Hình 3.13. Khả năng sinh trưởng của các chủng VKTQH ở các nồng độ
pyrene khác nhau sau 7 ngày ni cấy ..................................... 55
Hình 3.14. Dịch nuôi cấy của 10 chủng VKTQH ở nồng độ 200 ppm
pyrene sau 7 ngày ni cấy ....................................................... 55
Hình 3.15. Hình dạng khuẩn lạc và hình dạng tế bào dưới kính hiển vi
điện tử của chủng DD4, DQ41, FO2 ........................................ 57
Hình 3.16. Cây phát sinh chủng loại của 3 chủng DD4, DQ41, FO2 ........ 58
Hình 3.17. Phổ hấp phụ dịch huyền phù tế bào của 3 chủng DD4 (A),
DQ41 (B), FO2 (C) ................................................................... 60
Hình 3.18. Khả năng tạo sắc tố quang hợp của VKTQH ở hai điều kiện
(A) kỵ khí, sáng và (B) hiếu khí, tối. ........................................ 61
Hình 3.19. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hình thành màng sinh
học của các chủng VKTQH ..................................................... 64
Hình 3.20. Ảnh hưởng của pH tới khả năng hình thành màng sinh học
của các chủng VKTQH ............................................................ 64
Hình 3.21. Ảnh hưởng của nồng độ NaCl tới khả năng hình thành màng
sinh học của các chủng VKTQH .............................................. 66
Hình 3.22. Thí nghiệm đánh giá sự đối kháng lẫn nhau của các chủng
VKTQH lựa chọn...................................................................... 70
Hình 3.23. Mật độ tế bào của chủng DD4, DQ41 và FO2 trong màng
sinh học VKTQH sau 9 ngày ni cấy ..................................... 71
Hình 3.24. Hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của các giá thể trước và
sau khi VKTQH bám dính ........................................................ 72
Hình 3.25. Thời gian phân hủy dầu diesel và mật độ tế bào của chủng
VKTQH trong màng sinh học đơn hoặc đa chủng khơng giá

thể.............................................................................................. 74
Hình 3.26. Khả năng phân hủy dầu diesel và mật độ tế bào của chủng
VKTQH DD4, DQ41 và FO2 trong MSH đa chủng trên giá
thể.............................................................................................. 75
Hình 3.27. Hiệu suất phân hủy thành phần n-alkane (từ C8 đến C16) có
trong dầu diesel bởi màng sinh học đa chủng VKTQH trên


xi

các giá thể khác nhau ................................................................ 76
Hình 3.28. Hiệu suất phân hủy PAH bởi các loại màng sinh học khác
nhau ........................................................................................... 81
Hình 3.29. Sắc ký đồ phân tích thành phần dầu thơ cịn lại sau 14 ngày
trong thí nghiệm phân huỷ dầu bằng MSH đơn chủng
VKTQH .................................................................................... 86
Hình 3.30. Sắc ký đồ phân tích thành phần dầu thơ cịn lại sau 14 ngày
trong thí nghiệm phân huỷ dầu bằng MSH đa chủng VKTQH
khơng gắn trên giá thể............................................................... 87
Hình 3.31. Sắc ký đồ phân tích thành phần dầu thơ cịn lại sau 14 ngày
trong thí nghiệm phân huỷ dầu bằng MSH đa chủng VKTQH
trên giá thể (sỏi nhẹ, xơ dừa, mút xốp) ..................................... 88
Hình 3.32. Sắc ký đồ phân tích thành phần dầu thơ cịn lại sau 14 ngày
trong thí nghiệm khả năng hấp phụ dầu thô của giá thể (sỏi
nhẹ, xơ dừa, mút xốp) ............................................................... 89
Hình 3.33. Hiệu suất phân huỷ hydrocarbon no (%) của dầu thô sau 14
ngày nuôi cấy bởi màng sinh học đơn chủng và đa chủng
VKTQH khơng giá thể.............................................................. 91
Hình 3.34. Hiệu suất phân huỷ hydrocarbon no (%) của dầu thô sau 14
ngày nuôi cấy bởi màng sinh học đa chủng VKTQH trên giá

thể.............................................................................................. 92


1

MỞ ĐẦU
Dầu mỏ đã được sử dụng từ thời cổ đại và ngày càng trở nên quan trọng
trong xã hội, đặc biệt là kinh tế, chính trị và cơng nghệ. Bên cạnh những lợi ích
kinh tế, dầu mỏ và các sản phẩm của dầu cũng là một trong những nguồn ô
nhiễm môi trường nghiêm trọng, được thải ra từ quá trình khai thác, sử dụng và
chế biến dầu. Dầu mỏ có chứa nhiều hợp chất độc hại khó phân hủy trong tự
nhiên, gây độc và có thể gây những hệ lụy nghiêm trọng cho môi trường sinh
thái. Đặc biệt, các hợp chất thơm như: benzene, toluene, naphthalene, pyrene,
phenol... có độ hòa tan trong nước khá cao, độc hại đối với nhiều lồi sinh vật.
Xử lý ơ nhiễm dầu mỏ có thể được tiến hành theo phương pháp cơ học
(vật lý), hóa học và sinh học. Trong đó, các phương pháp vật lý và hóa học
thường được sử dụng để xử lý ô nhiễm hydrocarbon dầu mỏ ở nồng độ cao, có
chi phí lớn. Biện pháp sinh học sử dụng các vi sinh vật (VSV) phân hủy
hydrocarbon dầu mỏ là biện pháp hiệu quả trong xử lý ô nhiễm hydrocarbon
dầu mỏ ở nồng độ thấp, nằm ngoài khả năng của xử lý cơ học/hố học. Ứng
dụng VSV có khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ đồng thời tạo màng sinh
học sẽ tăng hiệu quả xử lý sinh học.
Vi khuẩn tía quang hợp (VKTQH) là các vi khuẩn quang hợp kỵ khí,
được cơng bố là có khả năng trao đổi chất linh hoạt, sử dụng nhiều loại cơ chất,
trong đó có hydrocarbon. Một số VKTQH có khả năng tạo màng sinh học có
thể đóng vai trị quan trọng trong việc phân hủy và chuyển hóa các hợp chất
hydrocarbon trong dầu mỏ. VKTQH phân bố rộng rãi trong tự nhiên, do vậy có
tiềm năng ứng dụng cao trong xử lý ô nhiễm hydrocarbon dầu mỏ tại chỗ (in
situ) và bên ngoài (ex situ).
Luận án “Nghiên cứu khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ của

một số chủng vi khuẩn tía quang hợp tạo màng sinh học phân lập tại Việt
Nam” được thực hiện với mục tiêu và nội dung nghiên cứu như sau:
Mục tiêu nghiên cứu của luận án
- Tuyển chọn được một số chủng VKTQH từ các vùng biển ô nhiễm dầu
ở Việt Nam, vừa có khả năng tạo tạo màng sinh học vừa có khả năng phân hủy
hydrocarbon dầu mỏ hiệu suất cao.


2

- Đánh giá hiệu suất phân hủy các hợp chất hydrocarbon dầu mỏ bởi
màng sinh học đơn chủng và đa chủng VKTQH trên các loại giá thể, từ đó đưa
ra giải pháp xử lý ô nhiễm dầu ở điều kiện mơ hình.
Nội dung nghiên cứu
1. Tuyển chọn một số chủng VKTQH có khả năng tạo màng sinh học và phân
huỷ hydrocarbon dầu mỏ tốt; nghiên cứu đặc điểm sinh học và định danh các
chủng được lựa chọn.
2. Nghiên cứu một số các điều kiện lý hóa như pH, nhiệt độ, nồng độ muối ảnh
hưởng tới khả năng tạo màng sinh học của các chủng được lựa chọn.
3. Đánh giá hiệu suất phân hủy một số thành phần hydrocarbon dầu mỏ bởi
màng sinh học đơn chủng/ đa chủng gắn trên giá thể (xơ dừa, mút xốp, sỏi
nhẹ) hoặc không gắn giá thể.
Những đóng góp mới của luận án
1) Đã tuyển chọn được 03 chủng VKTQH ở Việt Nam vừa tạo màng sinh học
tốt vừa phân hủy thành phần hydrocarbon dầu mỏ hiệu suất cao.
2) Luận án là cơng trình đầu tiên đánh giá hiệu suất phân hủy dầu thô, dầu
diesel bởi màng sinh học đơn chủng và đa chủng VKTQH trên giá thể (sỏi
nhẹ, xơ dừa, mút xốp).

3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Một số đặc điểm sinh học cơ bản của vi khuẩn tía quang hợp
1.1.1. Giới thiệu chung về vi khuẩn tía quang hợp
VKTQH thuộc nhóm vi khuẩn (VK) thủy sinh có khả năng sinh trưởng trong
điều kiện kỵ khí bằng cách quang hợp nhưng khơng thải oxy vì chúng khơng nhận
điện tử từ q trình quang phân ly nước mà từ một số chất như: hydro, các acid hữu
cơ đơn giản, lưu huỳnh, hydro sulfide, đường đơn giản và rượu. VKTQH thường có
màu hồng đến đỏ tía, sắc tố quang hợp đều chứa bacteriochlorophyll (Bchl) và
carotenoid. Nhóm VK này có các kiểu trao đổi chất linh hoạt tùy thuộc vào điều
kiện môi trường sống nên chúng phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên [1, 2, 3, 4].
Theo khoá phân loại của Bergey, VKTQH được chia thành 2 nhóm:
- VKTQH lưu huỳnh (PSB): có khả năng tích luỹ giọt lưu huỳnh bên trong tế bào.
- VKTQH khơng lưu huỳnh (PNSB): khơng có khả năng tích luỹ giọt lưu huỳnh bên
trong tế bào [2].
1.1.2. Sinh thái học vi khuẩn tía quang hợp
Khối lượng lớn (hiện tượng “nở hoa”) của PSB thường được phát hiện trong
các hệ sinh thái thủy sinh có sulfide. Đa số các lồi trong nhóm này có thể sinh
trưởng trên mơi trường chứa sulfide và có thể oxy hố sulfide ở các mức độ khác
nhau thành các dạng lưu huỳnh không độc hại như: S0, S4O62- hoặc SO42- [5].
Trong đáy ao nuôi trồng thủy sản ven biển thường có hàm lượng sulfate đáng
kể, nhóm vi khuẩn khử sulfate hoạt động tích cực tạo thành sulfide ở tầng đáy,
sulfide khuếch tán từ tầng đáy lên trên theo cột nước bởi sự chênh lệch gradient
nồng độ. Sulfide kích hoạt sự phát triển của PSB ở vùng có ánh sáng xuyên qua và
hàm lượng sulfide tối ưu. Ở các độ sâu khác nhau có thể thu nhận được các loài
khác nhau. Nếu sinh khối của VKTQH phát triển mạnh mẽ, sẽ xuất hiện sự “nở
hoa” của ao, hồ làm cho ao, hồ có màu đỏ tía hoặc đỏ nâu. Khi sự “nở hoa” trong
ao, hồ xảy ra, người ta có thể phân biệt được hình thái tế bào đặc trưng của các chi

VKTQH dưới kính hiển vi. Trong các ao, hồ có sự “nở hoa” có thể bắt gặp hỗn hợp
các lồi hoặc có thể chỉ xuất hiện 1 loài VKTQH [6].


4

Hiện tượng “nở hoa” của PNSB thường xảy ra ở các mơi trường mà nồng độ
sulfide thấp (hoặc khơng có). Chúng thường được tìm thấy trong các các ao hồ tù
đọng, các nguồn nước thải, trong các hệ thống xử lý nước thải… Các hồ xử lý nước
thải được xem là nơi có các điều kiện phù hợp cho PNSB sinh trưởng. Các PNSB
đã được tìm thấy ở trong các hệ thống xử lý nước thải như: Rodobacter (Rba.)
capsulatus,

(Rba.)

sphaeroides,

Rhodopseudomonas

(Rps.)

faecalis,

Rhodopseudomonas (Rps.) palustris, Rhodospirillum (Rsp.) photometricum,
Blastochloris viridis, Rubrivivax gelatinosus, Rhodocyclustenuis, Rubrivivax
gelatinosus… [5, 7, 8, 9].
Tác giả Okubo và cộng sự (2006) đã phát hiện ra nhóm PNSB trong kênh
chứa nước thải chăn ni tạo nên một tấm thảm có màu đỏ, trong đó xuất hiện các
lồi

như

Rba.

sphaeroides,

Rba.

capsulatus

và

các

lồi

trong

chi

Rhodopseudomonas, đặc biệt là Rps. palustris [9].
Ngồi ra có thể gặp đại diện của VKTQH trong một số thủy vực có điều kiện
khắc nghiệt như: suối nước nóng, suối lưu huỳnh thủy vực kiềm hóa, thủy vực có
tính acid, ở vùng biển có độ mặn cao và thậm chí cả ở hồ có băng bao phủ. Q
trình quang hợp của VKTQH có thể diễn ra ở nhiêt độ cao nhất có thể lên tới 57oC
và thấp nhất ở 0oC; dải pH có thể thấp đến 3 và cao đến 11; ở độ mặn có thể lên tới
giá trị bão hòa của NaCl (~32%) … [5].
1.1.3. Đa dạng của vi khuẩn tía quang hợp
1.1.3.1. Đa dạng về hình thái
VKTQH là các tế bào Gram âm, đơn bào và có các dạng hình cầu, phẩy,

xoắn, gậy, cũng có thể gặp chúng ở trạng thái chuỗi trong những điều kiện mơi
trường đặc biệt. Kích thước của tế bào thường từ 0,3 - 0,6 m. Đa số các loài đều
sinh sản bằng cách nhân đơi, một số lồi có tế bào dinh dưỡng dạng phân cực
thường sinh sản bằng cách nảy chồi (là đặc trưng của chi Rhodopseudomonas và
Rhodomicrobium). Khi sinh trưởng trong điều kiện quang hợp, dịch huyền phù tế
bào thường có màu tím tía, đỏ, nâu vàng, nâu hoặc xanh [2]. Sự đa dạng về hình
thái tế bào của VKTQH là đặc điểm quan trọng được sử dụng để phân loại chúng.


5

1.1.3.2. Đa dạng về di truyền
VKTQH được chia làm 3 họ, bao gồm (i) họ Chromatiaceae: gồm tất cả các
vi khuẩn lưu huỳnh màu tía có khả năng hình thành hạt lưu huỳnh bên trong tế bào,
(ii) họ Ectothiorhodospiraceae: gồm tất cả các vi khuẩn lưu huỳnh màu tía có khả
năng hình thành hạt lưu huỳnh bên ngồi tế bào, (iii) họ Rhodospirilaceae: gồm tất
cả các vi khuẩn quang hợp khơng tích lũy hạt lưu huỳnh [2].

a

b

Hình 1.1. Hình ảnh chụp dưới kính hiển vi huỳnh quang của VKTQH
(a) Tế bào của VKTQH Thermochromatium tepidum được phân lập từ suối nước
nóng New Mexico. Các hạt lưu huỳnh nội bào khúc xạ ánh sáng (mũi tên); (b) Tế
bào của PNSB Rhodobaca bogoriensis được phân lập từ Hồ Bogoria (Kenya) [5]
Phân tích phát sinh lồi dựa trên so sánh trình tự gene 16S rRNA, VKTQH được
xếp vào 3 phân lớp (i) Alphaproteobacteria: gồm VKTQH không lưu huỳnh (ii)
Betaproteobacteria:

cũng

gồm

VKTQH

không

lưu

huỳnh

và

(iii)

Gammaproteobacteria: gồm VKTQH lưu huỳnh (Bảng 1.1 và 1.2) [5].
Hiện nay, 20 chi PNSB đã được cơng bố (Bảng 1.1). Lồi Rhodobacter và
Rhodopseudomonas là những lồi tiên phong cho các nghiên cứu trong phịng thí
nghiệm về quang hợp kỵ khí. Ngồi ra, một số lồi khác có một hoặc nhiều đặc
điểm trao đổi chất đặc biệt cũng được biết đến. Ví dụ, các lồi sống trong mơi
trường cực trị nóng, lạnh, mặn, kiềm và mơi trường axit đã được phân lập (Hình
1.1b). Như trong Bảng 1.1, tất cả PNSB là proteobacteria và cây phát sinh chủng
loại cho thấy nhiều lồi có quan hệ chặt chẽ với các lồi khơng quang dưỡng [10].


6

Khi nghiên cứu về đặc điểm sắc tố và phức hệ quang hợp giữa các loài PNSB khác
nhau mà lại có sự giống nhau cho thấy khả năng quang dưỡng ở PNSB là do chuyển

gene ngang. Nghiên cứu của Nagashimi và cộng sự, 1997 về phức hệ quang hợp
protein đơn đã chứng minh điều này [11].
Hơn 25 chi VKTQH đa dạng về hình thái đã được cơng bố (Bảng 1.1).
VKTQH bao gồm cả các lồi có khả năng hình thành hạt lưu huỳnh bên trong tế bào
(họ Chromatiaceae) và các lồi có khả năng hình thành hạt lưu huỳnh bên ngồi tế
bào (họ Ectothiorhodospiraceae).
Bảng 1.1. Các chi vi khuẩn tía quang hợp [5]
Phân loại
Alphaproteobacteria

Betaproteobacteria

Chi

Viết tắt
tên chi1

Hình thái

Rhodobaca 3

Rca.

Hình cầu hoặc que ngắn

Rhodobacter

Rba.

Hình que

Rhodovulum

Rdv.

Hình cầu hoặc que

Rhodopseudomonas3

Rps.

Hình que có nảy chồi

Rhodoblastus3

Rbl.

Hình que có nảy chồi

Blastochloris

Blc.

Hình que có nảy chồi

Rhodomicrobium

Rmi.

Hình que có nảy chồi

Rhodobium

Rbi.

Hình que

Rhodoplanes

Rpl.

Hình que

Rhodocista3

Rcs.

Dạng sợi

Rhodospirillum

Rsp.

Dạng sợi

Phaeospirillum

Phs.

Dạng sợi

Rhodopila3

Rpi.

Hình cầu

Rhodospira

Rsa.

Dạng sợi

Rhodovibrio3

Rhv.

Hình dấu phẩy

Rhodothallasium

Rts.

Dạng sợi

Roseospira

Ros.

Dạng sợi

Roseospirillum

Rss.

Dạng sợi

Rhodocyclus

Rcy.

Hình dấu phẩy trịn

Rhodoferax3

Rfx.

Hình que, dấu phẩy

Rubrivivax

Rvi.

Hình que, phẩy tròn


7

Phân loại

Chi

Viết tắt
tên chi1

Hình thái

Gammaproteobacteria

Họ Chromatiaceae2

Allochromatium

Alc.

Hình que

Amoebobacter

Amb.

Hình cầu

Chromatium

Chr.

Hình que

Halochromatium3

Hch.

Hình que

Isochromatium

Isc.

Hình que

Lamprobacter

Lpb.

Hình que

Lamprocystis

Lpc.

Cụm hình cầu

Marichromatium

Mch.

Hình que

Rhabdochromatium

Rbc.

Hình que

Thermochromatium3

Tch.

Hình que

Thioalkalicoccus3

Tac.

Hình cầu

Thiobaca

Tba.

Hình que

Thiocapsa

Tca.

Hình cầu

Thiococcus

Tco.

Hình cầu

Thiocystis

Tcs.

Hình cầu đến que ngắn

Thiodictyon

Tdc.

Tập hợp hình que

Thiofl avicoccus

Tfc.

Hình cầu

Thiohalocapsac3

Thc.

Hình cầu

Thiolamprovum

Tlp.

Hình cầu

Thiopedia

Tpd.

Hình cầu, dạng đĩa

Thiorhodococcus

Trc.

Hình cầu

Thiorhodovibrio

Trv.

Hình dấu phẩy dạng sợi

Thiospirillum

Tsp.

Dạng sợi

Họ

Ectothiorhodospira3

Ect.

Hình dấu phẩy dạng sợi

Ectothiorhodospiraceae2

Halorhodospira3

Hlr.

Hình dấu phẩy dạng sợi

Thiorhodospira3

Trs.

Hình dấu phẩy dạng sợi

Ectothiorhodosinus

Ets.

Hình que

Ghi chú: 1 - Viết tắt theo Imhoff và Madigan (2004) [12]; 2 - Các loài thuộc họ
Chromatiaceae tích luỹ lưu huỳnh từ q trình oxy hóa sulfide nội bào (Hình 1.1a); các
lồi thuộc họ Ectothiorhodospiraceae khơng tích luỹ lưu huỳnh; 3 - Chứa một hoặc nhiều

lồi phát triển ở nhiệt độ, độ pH, hoặc độ mặn lớn hơn độ mặn của biển.


8

Ngày nay, với sự đa dạng của nhóm VKTQH bên cạnh việc phân tích thơng
tin di truyền gen 16S rDNA, người ta cịn phát hiện ra gen pufM có tính bảo thủ cao
để phân loại và đánh giá nhanh sự có mặt của nhóm VKTQH.
Gen pufM thuộc operon puf (photosynthetic unit forming) được tìm thấy
trong nhóm vi khuẩn quang hợp không thải oxy thuộc phân lớp Alpha-, Beta- và
Gammaproteobacteria và họ Cloroflexaceae. Hiện nay, người ta phát hiện ra 5 loại
operon puf khác nhau. Trong tất cả VKTQH đều chứa pufBALM mã hóa cho tiểu
phần L và M của protein trong tâm phản ứng quang hợp. Ở VKTQH tâm phản ứng
gồm ba tiểu phần, L (light), M (medium) và H (heavy). Chúng có chức năng gắn
với bacteriochlorophyll và carotenoid cũng như quinone và được tách ra nguyên
vẹn như là một phức hợp sắc tố - protein riêng biệt. Gen pufL và pufM có mặt trong
tất cả các loại operon puf, chúng có vai trị quan trọng trong q trình sinh trưởng
quang dưỡng. Hiện nay, hai gen pufL và pufM đang được quan tâm khi nghiên cứu
nhóm VKTQH ở cấp độ phân tử. Đặc biệt, gen pufM mã hóa cho tiểu phần M của
protein liên kết với sắc tố trong tâm phản ứng quang hợp được nhiều nhóm tác giả
sử dụng khi nghiên cứu VKTQH. Gen pufM có tính bảo thủ cao, sản phẩm PCR gen
pufM có kích thước khoảng 200 bp, dễ dàng phân tích trình tự và so sánh. Ngồi
việc dùng gen pufM để phân loại nhóm vi khuẩn này người ta cịn sử dụng như một
cơng cụ cho việc phát hiện khả năng sinh sống trong cả điều kiện môi trường thuận
lợi và khắc nghiệt [13].
1.1.3.3. Đa dạng về các phương thức trao đổi chất
Hai nhóm PSB và PNSB được minh chứng có sự khác nhau dựa trên cơ sở
trao đổi chất và phát sinh loài, nhưng các lồi thuộc hai nhóm này thường cùng tồn
tại trong mơi trường kỵ khí được chiếu sáng trong tự nhiên. PSB có khả năng quang
tự dưỡng rất cao và có khả năng quang hóa ở mức hạn chế, nhưng chúng lại ít có

khả năng trao đổi chất và tăng trưởng trong bóng tối. Ngược lại, PNSB tồn tại trong
dải ánh sáng rộng, vừa có khả năng quang tự dưỡng và vừa có khả năng đa dạng
cho sự trao đổi chất và tăng trưởng tối [5]. Trong phạm vi đề tài này, chúng tơi chủ
yếu đề cập tới nhóm PNSB.
Nhóm PNSB phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên. Một vài loài PNSB có thể
sinh trưởng kỵ khí trong tối bằng phương thức lên men hoặc hơ hấp kỵ khí và hầu
hết chúng có thể sinh trưởng hơ hấp hiếu khí trong tối. Trong các điều kiện này,


9

chất cho điện tử có thể là hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ như H2. Tuy nhiên, khả năng
sinh trưởng chủ yếu của PNSB là quang hợp dị dưỡng, trong đó ánh sáng là nguồn
năng lượng và một hợp chất hữu cơ là nguồn carbon [2, 3].
PNSB có tính linh hoạt đặc biệt trong các phương thức dinh dưỡng và sử
dụng các nguồn năng lượng. Chúng có thể sử dụng các acid béo, đường, rượu và cả
các hợp chất thơm là nguồn carbon. Phần lớn PNSB có thể sinh trưởng quang tự
dưỡng với CO2 + H2 hoặc CO2 + H2S ở nồng độ thấp. Rất nhiều hợp chất thơm
được sử dụng bởi các VK này bao gồm các chất được tạo thành từ q trình phân
hủy kỵ khí lignin cũng như những sản phẩm tổng hợp độc hại tích tụ trong mơi
trường. Chúng có khả năng đồng hóa hầu như hoàn toàn nguồn carbon từ một số cơ
chất thơm thành sinh khối tế bào của mình [3]. Vì các hợp chất thơm ở trạng thái bị
khử hơn các vật liệu của tế bào nên VK phân hủy hợp chất thơm trong điều kiện
quang hợp cần sự đồng hóa CO2 ở một mức độ nhất định để làm cân bằng thế oxy
hóa khử của chúng. Ví dụ như oxy hóa benzoate ở VKTQH xảy ra theo các phương
trình sau:
C7H6O2 + 6 H2O → 3 CH3COOH + CO2 + 6 [H]
6[H] + 1,5 CO2→ 1,5 [CH2O] +1.5 H2O
Ngoài ra, nhiều quá trình chuyển hóa carbon của PNSB đã được nghiên cứu
và cơng bố. Đồng thời, vai trị cố định nitơ của PNSB cũng đã được biết đến. Rba.

capsulatus và Rba. sphaeroides có thể sinh trưởng nhanh chóng với N2 là nguồn N
với hoạt tính của enzyme nitrogenase tăng mạnh. Do đó, đây là nhóm VKTQH có
nhiều hướng ứng dụng khác nhau, có thể liệt kê đến như là sinh vật mơ hình để
nghiên cứu các q trình quang hợp khơng thải oxy, ứng dụng trong xử lý các
nguồn ô nhiễm hữu cơ [10].
1.1.4. Đặc điểm của bộ máy quang hợp
VKTQH chỉ có một hệ thống quang hóa với một trung tâm phản ứng, do đó
sự vận chuyển điện tử của chúng rất khác biệt so với mạch truyền điện tử ở thực vật
(có ít nhất hai hệ quang hóa với hai trung tâm phản ứng) [14]. Phương trình tổng
quát: CO2 + 2H2A + hv

[CH2O]n + 2A + H2O


10

Chú thích: Ở tảo và thực vật bậc cao: H2A chính là H2O. Ở VKTQH: H2A có thể là
một số chất như lưu huỳnh, các hợp chất khử của lưu huỳnh, hydro phân tử hoặc
các hợp chất hữu cơ đơn giản. Trong đó, các chất hữu cơ vừa đóng vai trò làm chất
cho điện tử vừa làm nguồn carbon trong q trình quang hợp.
1.1.4.1. Sắc tố quang hợp
•

Bacteriochlorophyll (Bchl)
Sắc tố quang hợp chính ở VKTQH là bacteriochlorophyll (Bchl). Dựa theo

sự khác nhau về cấu trúc phân tử và cực đại hấp thụ trong vùng ánh sáng đỏ, Bchl
được chia thành 5 nhóm a, b, c, d, e. Đa số các loài VKTQH chứa Bchl a, trừ một số
loài như Rps. sulfoviridis, Rps. viridis… lại chứa chủ yếu là Bchl b [14].
•

Carotenoid
Ngồi bacteriochlorophyll, VKTQH cịn chứa các carotenoid. Thành phần

carotenoid ở VKTQH rất đa dạng và phong phú, có thể chia thành một số nhóm
như: Rhodopinal, sphaeroidenone, spirilloxanthinin, okenonene.
1.1.4.2. Màng quang hợp
Các thành phần của hệ thống quang hợp tương tác với nhau và định vị ở phía
trong màng tế bào tạo thành màng quang hợp. Khi lượng sắc tố quang hợp trong tế
bào cao sẽ dẫn đến hiện tượng màng gập lại. Các kiểu gập khác nhau mang tính đặc
trưng cho loài và được chia thành các dạng: lớp mỏng (lamellar), dạng ống (tubular)
hay dạng bóng túi (vescicular) [15].
1.1.4.3. Định vị sắc tố quang hợp trong tế bào vi khuẩn tía quang hợp
Sắc tố quang hợp nằm ở đơn vị quang hợp. Đơn vị này phân bố trên hệ màng
của bộ máy quang hợp (chromotophor).
1.1.4.4. Đơn vị quang hợp

Hình 1.2. Sơ đồ vị trí các thành phần của bộ máy quang hợp sơ cấp ở VKTQH [16]


11

Đơn vị quang hợp gồm sắc tố anten LH-I và LH-II (để thu nhận ánh sáng),
trung tâm phản ứng của quang hệ (kí hiệu là P) đây là Bchl nhưng ở trạng thái
dimer. Chúng gắn kết chất cho và chất nhận điện tử sơ cấp tạo thành trung tâm phản
ứng của quang hệ (RC). Đơn vị quang hợp nằm trên màng quang hợp (Hình 1.2).
1.1.4.5. Hoạt động của bộ máy quang hợp sơ cấp
Ánh sáng được tế bào thu nhận qua hệ thống anten. Từ đây năng lượng được
chuyển vào trung tâm phản ứng (bao gồm 4 phân tử Bchl, 2 phân tử
bacteriophaeophintin và 1 phân tử protein). Khi trung tâm phản ứng P870 được kích

thích q trình phân chia điện tích được xảy ra. Điện tử được truyền đến chất nhận
sơ cấp (Bchl-BPheo) ngược chiều nhiệt động học. Từ đó điện tử di chuyển đến các
quinon rồi qua một chuỗi vận chuyển electron lại trở về P870 đồng thời ATP được
tổng hợp (Hình 1.3).
Để tạo ra các hợp chất khử (NADH), VKTQH cần có chất cho điện tử từ bên
ngồi. Nhờ có năng lượng và chất khử, dịng điện tử di chuyển đi ngược feredoxin
để tạo NADH từ NAD+. VKTQH có thể sản xuất ra một lượng lớn NAD+ trong quá
trình quang hợp để sử dụng trong cố định CO2.

Hình 1.3. Quang hợp ở VKTQH khơng lưu huỳnh [17]
Chú thích: P870: Trung tâm phản ứng; Cyt: cytochrom; Bph: Bacteriopheophytin)


12

1.1.5. Dinh dưỡng carbon
1.1.5.1. Quá trình cố định CO2
PNB và PNSB đều có khả năng cố định CO2 giống như vi tảo và các thực vật
bậc cao khác. Con đường chính để chúng cố định CO2 là chu trình pentose
phosphate khử Calvin-Benson-Bassham (CBB hay cịn gọi là chu trình Calvin), với
enzyme ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase / oxygenase (RubisCO) là chất xúc
tác phản ứng. Đây là enzyme chìa khóa của chu trình Calvin. Enzyme này hoạt
động mạnh nhất khi tế bào sinh trưởng ở điều kiện tự dưỡng ngoài sáng. Khi tế bào
VKTQH sinh trưởng ở điều kiện quang dị dưỡng, sự tổng hợp enzyme này bị kìm
chế [18].
Ngồi khả năng cố định CO2, VKTQH cịn có khả năng đồng hóa các hợp
chất hữu cơ như: hợp chất 1-C; 2-C; 3C; 4-C và đường (6C).
1.1.5.2. Quang hợp dị dưỡng (nguồn carbon)
+ Hợp chất 1-C (formate, methanol, CO)
Có nhiều ví dụ về khả năng VKTQH sử dụng hợp chất 1 carbon cho sinh

trưởng ví dụ như: lồi Rhodopila globiformis có khả năng sử dụng CO và methanol;
lồi Rps. palustris có khả năng sinh trưởng trong môi trường chứa formate khi được
chiếu sáng. Nhờ enzyme formate-dehydrogenaza mà formate bị oxy hóa thành CO2,
sau đó CO2 này lại được đồng hóa theo chu trình Calvin, lồi Rhodocyclus
gelatinosa và Rps. acidophila có khả năng sử dụng methanol làm nguồn carbon cho
sinh trưởng khi được chiếu sáng tuy nhiên trong điều kiện đòi hỏi phải được cung
cấp thêm CO2 với vai trò làm chất nhận điện tử. Ở điều kiện sinh trưởng này, mức
độ enzyme RubisCO trong tế bào tăng lên 6 lần so với khi sinh trưởng trên môi
trường chỉ chứa succinate làm cơ chất duy nhất. Chu trình Calvin cịn có vai trị vận
chuyển sức khử dư thừa từ methanol tới CO2. Như vậy, RubisCO vừa đóng vai trị
là enzyme chìa khóa quan trọng trong q trình đồng hóa CO2 lại vừa có vai trị giữ
thế cân bằng oxy hóa khử [18, 19].
+ Hợp chất 2-C (acetate)
Tất cả các đại diện của nhóm VKTQH đã biết đều có khả năng sinh trưởng
trên mơi trường chứa acetate, có ánh sáng. Khả năng đồng hóa acetate rất khác nhau


13

ở các chủng khác nhau. Enzyme chìa khóa của chu trình glyoxylate là isocitrate
lyase (ICL). Hoạt tính enzyme ICL trong dịch chiết từ tế bào các loài
Rhodospirillum (Rsp.). palustris và Rba. capsulatus khi chúng sinh trưởng trên môi
trường chứa acetate hay butyrate ở điều kiện quang dưỡng cũng như hóa dưỡng là
khá cao. Những bằng chứng về sự tồn tại của enzyme ICL trên đây cho thấy acetate
được PNSB đồng hóa theo chu trình glyoxylate. Ngồi chu trình glyoxylate, một số
nghiên cứu gần đây đã phát hiện con đường khác có thể đồng hố acetate [20, 21].
+ Hợp chất 3-C (pyruvate, propionate, glycerol, aceton).
Ở ngoài sáng, tất cả các vi khuẩn quang hợp đều có khả năng sinh trưởng
trên mơi trường chứa pyruvate theo kiểu quang dị dưỡng. Sự đồng hóa pyruvate và
hệ thống tham gia q trình này khác nhau đối với mỗi loài. Đa số các loài đều chứa

enzyme pyruvate dehydrogenase. Một số loài khi sinh trưởng ngoài sáng có thể
phân hủy pyruvate tới CO2, axetaldehyde và acetoin nhờ enzyme pyruvate
decarboxylase. Các tế bào Rsp. rubrum sử dụng cả hai enzyme PEP–synthase
(phosphate enol pyruvate synthase) và PEP-cacboxylaza để chuyển hóa pyruvate và
tạo thành axit oxaloacetate (OAA). Các tế bào lồi Rba. sphaeroides và Rba.
capulatus khơng chứa hai enzyme trên, chúng sử dụng pyruvate nhờ sự xúc tác của
enzyme pyruvate carboxylase (PC). Ở tế bào loài Rsp. rubrum, Rba. sphaeroides và
Rba. capsulatus, enzyme pyruvate kinase (PK) tham gia cùng với enzyme PEPcarboxykinase xúc tác phản ứng tạo phosphoenolpyruvate từ pyruvate. Lồi Rsp.
rubrum cịn có khả năng lên men pyruvate trong tối, sản phẩm của quá trình này là
propionate, H2 và formate. Formate lại được chuyển hóa tiếp tục để tạo ra CO2 và
H2 [22, 23].
PNSB cịn có khả năng sử dụng các chất 3-C khác như propionate, glyxerol,
axeton. Trong những trường hợp này cần phải bổ sung thêm CO2 (chất nhận điện
tử) để giữ thế cân bằng oxy hóa khử của tế bào [4, 24].
+ Butyrate và các axit béo dạng khử
Các PNSB sinh trưởng nhanh hơn và đạt mật độ cao hơn trong mơi trường có
các cơ chất 4-C với hai nhóm carboxyl (như malate, succinate) so với khi sinh
trưởng trên các nguồn cơ chất khác.


14

Các PNSB khi sinh trưởng với butyrate (chất ở trạng thái khử hơn so với vật
liệu tế bào) cũng đòi hỏi phải bổ sung CO2 làm chất nhận điện tử. Do đó q trình
đồng hóa butyrate ngồi sáng xảy ra đồng thời với quá trình cố định CO2.
+ Đường đơn
Đa số PNSB có khả năng sinh trưởng trên một hay nhiều nguồn đường thông
thường, riêng khả năng sinh trưởng trên fructose mang tính đặc trưng cho lồi [24].
Như vậy, các hợp chất 1C như methanol, formaldehid, formate, CO bị oxy
hóa để tạo thành CO2. CO2 tạo ra này sau đó được đồng hóa theo chu trình Calvin.

Trong điều kiện có oxy, tối, PNSB tiến hành trao đổi chất theo kiểu hơ hấp
hiếu khí. Khi đó, pyruvate sẽ được phân hủy hiếu khí hồn tồn thành CO2 và H2O
qua chu trình TCA (Krebs hoặc axit citric). CO2 tạo ra này có thể quay trở lại chu
trình Calvin để cố định CO2. Các hợp chất 3, 4 carbon cũng có thể bị oxy hóa để tạo
thành acetyl Co-A và đi vào chu trình TCA.
Trong điều kiện kỵ khí, tối, VKTQH tiến hành trao đổi chất theo kiểu lên
men. Sản phẩm của lên men gồm các axit hữu cơ, CO2 và H2.
+ Hợp chất thơm
Khả năng chuyển hóa benzoate ở Rps. palustris; Rhodospirillum (Rsp.)
fulvum; Rhodocyclus (Rcy.) purpureus [2, 6, 25] là đặc tính đặc trưng để phân biệt
chúng với các loài khác trong cùng một chi.
PNSB có khả năng sử dụng những hợp chất thơm mang chuỗi bên mạch dài,
chứa nhóm hydroxyl, nhóm methoxyl, nhóm methyl và nhóm carbonyl. Một số
lượng lớn hợp chất thơm chứa nhân benzene có thể được nhóm vi khuẩn này phân
hủy khi chúng sinh trưởng quang dị dưỡng (kỵ khí ngồi sáng) hoặc hóa dị dưỡng
(hiếu khí trong tối) hoặc trong cả hai điều kiện này [25, 26].
1.2. Ứng dụng của vi khuẩn tía quang hợp để phân hủy hydrocarbon dầu mỏ
1.2.1. Tính độc của hydrocarbon dầu mỏ
Dầu mỏ hay dầu thô là một chất lỏng sánh đặc màu nâu hoặc ngả lục. Thành
phần cơ bản của dầu mỏ là các hợp chất hydrocarbon với số nguyên tử carbon có
trong mạch từ 1 đến 60 hoặc lớn hơn. Trong dầu thơ các hợp chất này có thể chiếm