mối quan hệ giữa vi sinh vật với nguồn dinh dưỡng cacbon như thế nào? sự phân giải các hợp chất cacbon của vi sinh vật, ứng dụng của ngành vi sinh vật học trong cuộc sống chúng ta?

Lời Mở Đầu
Trên thế giới hầu như không có hợp chất cacbon hữu cơ nào mà không bị hoặc nhóm vi
sinh vật này hoặc nhóm vi sinh vật khác phân giải. Không ít vi sinh vật có thể đồng hóa
được cả các hợp chất cacbon 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.Vậy mối quan hệ giữa vi sinh vật với nguồn dinh
dưỡng cacbon như thế nào ?,sự phân giải các hợp chất cacbon của vi sinh vật,ứng dụng
của ngành vi sinh vật học trong cuộc sống chúng ta ? nhóm chúng em xin thực hiện đề
tài tiểu luận trên để làm rõ thêm.
NỘI DUNG
I)Tổng quan
II) Các quá trình phân giải chính.
2.1).Cơ chế của quá trình oxi hóa
2.2)Vi sinh vật sử dụng hợp chất cacbo
III)Ứng Dụng trong thực tiễn
3.1.Lên men trong sản xuất bia và rượu vang
3.2.Lên men nước hoa quả
3.3.Lên men bánh mì
3.4.Quá trình lên men pectin nhờ vi khuẩn
3.5.Ứng dụng trong lên men acid acetic
3.6.Lên men metan
3.7.Lên men Butyric trong sản xuất sữa chua
IV)Tác động đối với cuộc sống
I)Tổng quan:
Sự phân giải các hợp chất 2 cacbon và 1 cacbon nhờ vi sinh vật là những vi sinh vật
có khả năng sử dụng và phân hủy các hợp chất cacbon chứa 1C và 2C, và tạo ra sản phẩm
tương ứng, giải phóng CO
2
và H
2

O

trả lại môi trường.
Các quá trình phân hủy,đồng hóa,lên men… hay sử dụng các hợp chất này làm
nguồn dinh dưỡng đều có vai trò quan trọng từ sự tham gia của nhóm vi sinh vật.
II)Các quá trình phân giải chính:
2.1).Cơ chế của quá trình oxi hóa:
Nhờ vi sinh vật các hợp chất 2 cacbon mang những tính chất rất đặc biệt. Axetat và
các hợp chất sih ra nó(etanol) có thể trực tiếp tham gia vào chu trình Krebs trong dạng
(axetyl – CoA) và sau đó có thể oxi hóa 1 cách triệt để. Các hợp chất 2 cacbon có mức độ
oxi hóa cao hơn axetat (như glicolat và glixin) không trực tiếp tham gia vào chu trình
Krebs. Nhiều vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các hợp chất này thành glioxilat sau đó
chất này mới được oxi hóa hoàn toàn thông qua chu trình Krebs :
Tại peroxyxom acid glicolic bị oxy hoá bởi O
2
thành acid glioxilic nhờ enzyme glicolat -
oxidase. H
2
O
2
là sản phẩm thứ hai của phản ứng oxy hoá này sẽ bị phân huỷ bởi catalase
thành H
2
O và O
2
. Tiếp theo là phản ứng amin hoá hay chuyển vị amin để tạo glyxin từ
acid glioxilic, glyxin được chuyển và ty thể.
Tại ty thể: tại ty thể 2 glyxin tạo ra xerin nhờ xúc tác của enzime kép - glycin
decacboxylaza và serin hydroxylmetyl transferase. Serin lại biến đổi thành acid glyoxilic
để chuyển sang lục lạp.

Trong chu trình này glioxilat dưới tác dụng cảu malat sintaza sẽ phản ứng với exetyl –
CoA và làm sinh ra axit malic. Axit malic được oxi hóa thành axit axalaxetic, sau đó tiếp
tục oxi hóa thành piruvat và CO
2
thông qua giai đoạn photphoenolpiruvat trung gian.
Piruvat về sau được chuyển hóa thành exetyl – CoA. NDA dạng khử xuất hiện trong quá
trình oxi hóa này sẽ được oxi hóa bởi oxi phân tử và năng lượng sinh ra sẽ được tích lũy
lại trong phân tử ATP. Vi sinh vật cũng có thể oxi hóa glixin theo con đường khác gọi là
con đường β-oxiaspactat nhờ vi khuẩn phản nitrat hóa Micrococcus denitrificans có thể
chuyển hóa glicoxilat thành glixin. Glixin sẽ ngưng tụ với 1 phân tử glioxilat khác để tạo
thành eritro-β-oxiaspactat. Chất này sẽ bị khử nước sinh ra NH
3
và axit axaloaxetic (H.L.
Kornberg, 1963).
2.2)Vi sinh vật sử dụng hợp chất cacbon:
• Trực khuẩn Pseudomonas oxalaticus có khả năng sử dụng axalat nguồn
cacbon duy nhất. Cơ chế của quá trình này có thể tóm tắt như sau:
Oxalat + Xucxinyl – CoA  Oxalyl – CoA + Xucxinat
Oxalyl – CoA  Focmyl – CoA + CO
2
Focmyl – Xucxinat  Focmiat + Xucxinyl – CoA
• Vi khuẩn Pseudomonas methanica có khả năng sử dụng một số hợp chất 1
cacbon làm nguồn thức ăn cacbon và nguồn năng lượng duy nhất. Đây là
loài vi khuẩn có thể phân giải được hợp chất 1C.Quá trình oxi hóa các hợp
chất 1 cacbon thành CO
2
hay còn gọi là quá trình phân giải CH
4
được tiến
hành theo các phản ứng tuần tự như sau:

CH
4
 CH
3
OH  HCHO  HCOOH  CO
2
Metan Metanol focmanl-dehit axit focmic
• Một số vi sinh vật có khả năng đồng hóa metyl amin. Chất này đầu tiên
được chuyển hóa thành metanol sau đó được oxi hóa tiếp tới CO
2
.
III)Ứng Dụng trong thực tiễn:
3.1.Lên men trong sản xuất bia và rượu vang:
Sơ đồ sản xuất bia
Trong sản xuất bia nấm men giữu vai trò chuyển đường thành C
2
H
5
OH và tạo ra các
mùi vị đặc trưng cho sản phẩm, tùy vào loại nấm men mà tạo ra các mùi, vị khác nhau.
Phản ứng hóa học tổng quát có thể viết như sau:C
6
H
12
O
6
→ 2CH
3
CH
2

OH + 2CO
2
C huyển hóa đường trong điều kiện không có ôxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra
êtanol và cacbon điôxít CO
2
.
Saccharomyces cerevisiae
Sơ đồ sản xuất rượu vang nho
3.2.Lên men nước hoa quả:
Sơ đồ sản xuất nước quả lên men
Tác nhân lên men:
Tác nhân chính của quá trình lên men là nấm men Saccharomyces cerevisiae. Dựa
vào đặc tính của quá trình lên men mà nấm men được chia làm 2 dạng chính:
- Nấm men nổi: Gây ra sự lên men nổi, lên men ở nhiệt độ cao từ 20 - 28oC. Quá
trình lên men nhanh tạo thành nhiều bọt do tác dụng thoát khí CO2 nhiều nên
trong thời gian lên men, nấm men nổi trên mặt hoặc lơ lửng trong dịch lên men và
chỉ lắng xuống đáy thành một lớp xốp khi quá trình lên men kết thúc.
- Nấm men chìm: Quá trình lên men chậm ở nhiệt độ 5 - 10 oC, CO2 thoát ra ít
trong quá trình lên men, nấm men ở đáy thùng lên men.
Phương trình tổng quát như sau:
C
6
H
12
O
6
2C
2
H
5

OH + 2CO
2
+ 27Kcal
Nấm men phát triển tốt trong môi trường hiếu khí nhưng gặp điều kiện kò khí sẽ bắt
đầu lên men. Đường và chất dinh dưỡng được nấm men hấp thụ sau đó đường được
chuyển hoá thành acid pyruvic , là cơ chất đầu tiên để tạo rượu etylic. Etylic và CO2 khi
được hình thành sẽ thoát ra ngoài khuyếch tán nhanh vào môi trường xung quanh. Nhiệt
độ tối ưu cho lên men là 20 – 30oC .
Đường acid pyruvic
rượu etylic acteal cletyd
3.3.Lên men bánh mì:
Làm nở bột mì bằng men bánh mì

Saccharomyces cerevisiae
Nấm men bánh mì với loài chính là Saccharomyces cerevisiae, một nấm đơn bào, được
sử dụng rộng rãi trong việc làm bánh mì và những sản phấm từ bột mì khác, như pizza
hay bánh bao . Trong quá trình lên men rượu dưới điều kiện yếm khí, nấm men sẽ sản
sinh ra rượu etanol và khí cacbonic (CO
2
) có vai trò làm nở bột mì.
3.4.Quá trình lên men pectin nhờ vi khuẩn:
Quá trình phân giải pectin qua 2 giai đoạn:
•Giai đoạn 1: Giai đoạn này sự thủy phân chủ yếu do các enzym. Trong nguyên liệu có
chứa protopectin và pectin. Đầu tiên enzym protopectina sẽ thủy phân protopectin thành
pectin hòa tan và araban. Pectin hòa tan tiếp tục được enzym pectinaza thủy phân thành
hydratpectin và hydratpectin bị thủy phân tạo thành một loạt các chất hòa tan như phương
trình tổng quát sau:
• Tuy vậy giai đoạn 1: không sinh năng lượng.
•Giai đoạn 2: Vi sinh vật là tác nhân chủ yếu để phân giải các sản phẩm thủy phân
trên để tạo ra CO

2
, H
2
O và năng lượng.
a)Quá trình chuyển hóa acid galacturonic, pentoza, galactoza thành acid pyruvic.
-Chuyển hóa acid galacturonic:
-Quá trình phân giải pentoza, galactoza thực chất là phân giải glucoza:
Quá trình phân cắt glucoza yếm khí để tạo ra pyruvic gọi là đường phân
(glycolysis). Sau đó sẽ oxy hóa hoàn toàn acid pyruvic =>> chuyển hóa pyruvate thành
acetyl –CoA =>> oxy hóa acetyl –CoA thong qua chu trình Kreb, chu trinh krebs là con
đường trao đổi và tích lũy năng lượng ở sinh vật chung cho cả động vật và thực vật.
b)Phân giải CH
3
OH và CH
3
COOH
Vi sinh vật có khả năng phân giải pectin là các loại nấm và vi khuẩn hình que, hình cầu
hoặc xạ khuẩn gồm:
+ Một số vi sinh vật yếm khí như: Clostridium pectinovorum, Clostridium felsineum.
•Clostridium pectinovorum trực khuẩn, hô hấp yếm khí lên men được tinh bột, glucose,
pectin, không lên men được cellulose. có bào tử, ưa nóng, nhiệt độ từ 55-600C sử dụng
trong xử lý chất thải hữu cơ và trong sản xuất đay bằng ngâm nước.
•Clostridium felsineum trực khuẩn gram (+), hô hấp yếm khí, lên men pectin tạo nhiều
acid acetic.
+ Một số vi sinh vật hảo khí: Nấm Murco Stolonife, nấm Fusarium, nấm Pennicillium,
nấm mốc Aspergillusniger,…
3.5.Ứng dụng trong lên men acid acetic:
Hiện nay người ta sản xuất acid acetic chủ yếu bằng phương pháp lên men hay còn
gọi là lên men giấm.

- Nếu sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột phải qua 3 giai đoạn chuyển hoá:
+Giai đoạn chuyển hoá tinh bột thành đường
+ Giai đoạn chuyển hoá đường thành cồn
+Giai đoạn chuyển cồn thành acid
-Nếu sản xuất từ nguyên liệu chứa đường thì chỉ cần qua 2 giai đoạn:
+Giai đoạn chuyển hoá đường thành cồn
+Giai đoạn chuyển cồn thành acid.
-Nếu sản xuất từ nguyên liệu đã chứa cồn thì ta chỉ cần tạo điều kiện thuận lợi để vi
khuẩn acetic chuyển cồn thành acid acetic.
Sản xuất acid acetic theo phương pháp sinh hoá thực chất là quá trình oxy hoá rượu etylic
thành acid acetic nhờ một số vi khuẩn acetic khi có mặt của oxi.
Lên men giấm là quá trình oxy hoá rượu ethanol thành acid acetic nhờ có enzym alcohol
oxydaza xúc tác trong điều kiện hiếu khí:
CH
3
CH
2
OH + O
2
-> CH
3
COOH + H
2
O + 117 Kcal
Để chuyển hoá thành acid acetic, rượu và oxy phải thâm nhập vào tế bào vi khuẩn , ở đây
nhờ có enzyme của vi khuẩn xúc tác, rượu được chuyển hoá thành acid acetic theo một
quá trình sau:
C
2
H

5
OH + ½ O
2
-> CH
3
CHO (Acetaldehyd) + H
2
O
CH
3
CHO + H
2
O -> CH
3
CH(OH)
2
(Hydrat acetaldehyd)
CH
3
CH(OH)
2
+ ½ O
2
-> CH
3
COOH + H
2
O
Acid acetic tạo thành sẽ thoát ra khỏi tế bào của vi khuẩn và đi vào môi trường. Khi môi
trường hết rượu thì vi khuẩn giấm sẽ oxy hoá acid acetic thành CO

2
và H
2
O theo phương
trình sau:
CH
3
COOH + 2O
2
= 2CO
2
+ 2H
2
O
Đây chính là sự “quá oxy hoá” rất có hại cho quá trình lên men giấm. Vì vậy, trong dịch
lên men phải còn dư một lượng rượu khoảng 0,3-0,5% để đảm bảo không bao giờ cho
oxy hoá hết rượu nhằm tránh hiện tượng “quá oxy hoá”.
Vi khuẩn acetic:là vi khuẩn lấy năng lượng từ quá trình oxy hóa ethanol để tạo thành
acid acetic trong quá trình lên men. Hiện nay người ta biết đến hàng chục loài vi khuẩn
axetic thuộc họ Acetobacter. Chúng có những đặc điểm chung sau đây:
- Là những trực khuẩn gram âm, không sinh bào tử, hô hấp hiếu khí bắt buộc, xếp đôi
hay tạo thành từng chuỗi, thường tạo thành lớp màng trên bề mặt, có loài có khả năng
chuyển động và có loài không.
Trên môi trường đặc vi khuẩn acetic phát triển thành các khuẩn lạc tròn đều đặn,
đường kính khuẩn lạc trung bình khoảng 3 mm, riêng có một số loài có khuẩn lạc nhỏ
đường kính d = 1mm, bề mặt trơn bóng, ở giữa khuẩn lạc dày hơn và đậm màu hơn các
phần xung quanh.
Một số loài khác khuẩn lạc lại lớn hơn đường kính d= 4-5 mm, bề mặt trơn nhẵn không
màu, mỏng như những hạt sương nhỏ, có thể dùng que cấy tách ra khỏi môi trường dễ
dàng. Tuy nhiên cũng có những khuẩn lạc ăn sâu vào môi trường, khó có thể gạt ra bằng

que cấy. Vi khuẩn Acetobacter có khả năng chuyển hoá rượu etylic thành axit acetic và
tạo vòng phân giải trên môi trường thạch đĩa có bổ sung CaCO
3


Khả năng tạo vòng phân giải trên môi trường thạch đĩa có bổ sung CaCO
3
của vi khuẩn
Acetobacter
3.6.Lên men metan:
Vi khuẩn sinh metan cũng là những vi khuẩn kỵ khí bắt buộc. Chúng chuyển hóa rượu và
axit hữu cơ thành CH
4
,CO
2
và có thể còn sinh ra một số axit hữu cơ được oxi hóa triệt để.
Quá trình sinh metan: 2CH
3
COOH -> 2CH
4
+2CO
2
Metan có thể được sinh ra do quá trình khử CO
2
dưới tác dụng của chủng
Methanobacterium M.O.H. Quá trình lên men này rất đơn giản, chất cho hidro ở đây là
hidro phân tử:
CO
2
+ 4H

2
-> CH
4
+ 2H
2
O
Vi khuẩn sinh metan được chứng minh là loại vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp mạnh
mẽ vitamin B
12

a)Methanobacterium sp. b)Methanospirillum

hungath
3.7.Lên men lactic trong sản xuất sữa chua:
Quá trình sinh hoá trong sản xuất yaourt
Quá trình sản xuất ra sữa chua chủ yếu dùng phương pháp lên men lactic. Lên men
lactic là quá trình hóa sinh đặc trưng của sữa dưới tác động của vi khuẩn lactic lên men
đường lactoza có trong sữa để tạo thành axit lactic.

Vi khuẩn lactic:
• Lactobacillus bulgaricus (L. bulgaricus):