Nghiên cứu ứng dụng vi khuẩn tía quang hợp để xử lý sulfide trong các nguồn nước ô nhiễm

viện hàn lâm khoa học và công nghệ việt nam
viện công nghệ sinh học

TH LIấN

NGHIÊN CứU ứNG DụNG
VI KHUẩN TíA QUANG HợP Để Xử Lý SULFIDE
TRONG CáC NGUồN NƯớC Ô NHIễM

luận án tiến sĩ sinh học

Hà nội - 2016


viện hàn lâm khoa học và công nghệ việt nam
viện công nghệ sinh học

TH LIấN

NGHIÊN CứU ứNG DụNG
VI KHUẩN TíA QUANG HợP Để Xử Lý SULFIDE
TRONG CáC NGUồN NƯớC Ô NHIễM
Chuyên ngành : Vi sinh vật học
Mã số
: 62 42 01 07

luận án tiến sĩ sinh học

Ngi hng dn khoa hc: 1. PGS.TS inh Duy Khỏng
Vin Cụng ngh sinh hc
2. TS. Th T Uyờn

Vin Cụng ngh sinh hc

Hà nội - 2016


i

Lời cảm ơn
Với tất cả tấm lòng, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tới
PGS.TS Đinh Duy Kháng, phòng vi sinh vật học phân tử và TS. Đỗ Thị Tố Uyên, phòng
Công nghệ sinh học môi trường, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam là những người thầy đã dành cho tôi những ý tưởng quý báu cũng
như sự hướng dẫn tận tình, tạo mọi điều kiện thuận lợi và động viên tôi trong suốt quá
trình thực hiện luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Trương Nam Hải, nguyên Viện trưởng
Viện Công nghệ sinh học đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi thực hiện luận án này. Tôi cũng xin
bày tỏ lòng biết ơn tới PGS.TS Đặng Cẩm Hà, PGS.TSKH Trần Văn Nhị đã giúp đỡ tôi
giai đoạn đầu của khóa học NCS.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Đồng Văn Quyền đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi thực hiện
các nghiên cứu tại phòng vi sinh vật học phân tử. Tôi cũng chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn
Thị Hoa và tập thể cán bộ nghiên cứu phòng thí nghiệm vi sinh vật học phân tử đã giúp tôi
có được những hiểu biết và kỹ thuật về sinh học phân tử.
Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn Thị Diệu Phương và tập thể nghiên cứu tại
Trung tâm nghiên cứu đa dạng sinh học và nguồn lợi thủy sản, Viện nghiên cứu nuôi trồng
thủy sản I, Đình Bảng - Từ Sơn - Bắc Ninh đã giúp đỡ tôi thử nghiệm chế phẩm vi khuẩn
tía quang hợp xử lý đáy ao nuôi cá rô phi thâm canh.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban lãnh đạo Viện Công nghệ sinh học Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo mọi điều kiện cho tôi được học tập và
nghiên cứu tại Viện trong suốt những năm qua.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn chị Bùi Thị Hải Hà đã giúp đỡ tôi hoàn thành mọi

thủ tục cần thiết trong suốt quá trình nghiên cứu sinh và bảo vệ luận án.
Trong thời gian qua, tôi đã nhận được sự hỗ trợ nhiệt tình và tạo mọi điều kiện
thuận lợi từ phòng thí nghiệm Công nghệ sinh học môi trường nơi tôi đang công tác, và sự
giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp những ý kiến quý báu của các anh, chị, em đồng nghiệp,
nhân dịp này tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quí báu đó.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình
và những người bạn thân thiết đã luôn bên cạnh, động viên và khích lệ tôi trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu.

Nghiên cứu sinh

Đỗ Thị Liên


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
Đây là công 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 công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý và cho phép
của các đồng tác giả;
Phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả

Đỗ Thị Liên


iii

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU

Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

4

1.1.

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

4

1.1.1.

Giới thiệu chung về vi khuẩn tía quang hợp

4

1.1.2.

Sinh thái học của vi khuẩn tía quang hợp

4

1.1.3.

Hình thái và phân loại học của vi khuẩn tía quang hợp

6

1.1.4.

Một số đặc điểm sinh lý, sinh hóa của vi khuẩn tía quang hợp

8

1.2.

Sulfide quinone reductase - enzyme chìa khóa của quá trình oxy
hóa sulfide ở vi khuẩn tía quang hợp

24

1.2.1.

Vai trò của sulfide quinone reductase trong quá trình oxy hóa sulfide

24

1.2.2.

Tách dòng gen sqr từ R.capsulatus

28

1.3.

Nghiên cứu ứng dụng vi khuẩn tía quang hợp trên thế giới

28

1.3.1.

Ứng dụng vi khuẩn tía quang hợp để xử lý sulfide trong nước thải

28

1.3.2.

Ứng dụng vi khuẩn tía quang hợp sản xuất chế phẩm xử lý sulfide
trong các đáy ao nuôi trồng thủy sản

35

1.3.3.

Ứng dụng vi khuẩn tía quang hợp xử lý nước thải

36

1.3.4.

Một số ứng dụng khác của vi khuẩn tía quang hợp

37

1.4.

Tình hình nghiên cứu ứng dụng vi khuẩn tía quang hợp ở Việt Nam

39

Chương 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

42

2.1.

Vật liệu, hóa chất và thiết bị máy móc

42

2.1.1.

Vật liệu

42

2.1.2.

Các thiết bị máy móc

43

2.1.3.

Hóa chất

44

2.1.4.

Thành phần môi trường nuôi cấy

44

2.1.5.

Các dung dịch đã sử dụng

45

2.2.

Phương pháp nghiên cứu

45

2.2.1.

Phân lập vi khuẩn tía quang hợp không lưu huỳnh

45


iv

2.2.2.

Phương pháp nuôi cấy vi khuẩn tía quang hợp không lưu huỳnh

2.2.3.

Đánh giá sinh trưởng và nghiên cứu hình thái các vi khuẩn tía

46

quang hợp

46

2.2.4.

Phương pháp tuyển chọn vi khuẩn tía quang hợp

47

2.2.5.

Phương pháp nghiên cứu hệ sắc tố của vi khuẩn tía quang hợp

47

2.2.6.

Phương pháp nhuộm Gram

48

2.2.7.

Tách chiết DNA genom của vi khuẩn tía quang hợp

48

2.2.8.

Phương pháp PCR

48

2.2.9.

Phương pháp điện di DNA trên gel agarose

49

2.2.10

Phản ứng nối ghép gen

49

2.2.11. Phương pháp biến nạp DNA plasmid vào tế bào khả biến E.coli
bằng phương pháp sốc nhiệt

50

2.2.12. Phương pháp tách chiết DNA plasmid

50

2.2.13. Cắt plasmid bằng enzyme giới hạn

51

2.2.14. Tinh sạch phân đoạn DNA

51

2.2.11. Xác định trình tự axit nucleic

51

2.2.16

51

Phương pháp xác định các chỉ tiêu thủy hóa

2.2.17. Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ, pH, muối, ánh sáng

52

2.2.18. Phương pháp cố định tế bào vi khuẩn vào chất mang

52

2.2.19. Đánh giá khả năng xử lý sulfide của chế phẩm dạng dịch trong các
nguồn nước thải ô nhiễm ở qui mô phòng thí nghiệm

53

2.2.20. Thử nghiệm chế phẩm đối với nước nuôi cá rô phi ở quy mô pilot

53

2.2.21. Phương pháp khảo nghiệm trên ao

54

2.2.22. Phương pháp thử tính đối kháng của vi khuẩn tía quang hợp

55

2.2.23. Phương pháp xử lý thống kê sinh học

55

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

56

3.1.

Kết quả phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn tía quang hợp
có khả năng loại bỏ sulfide

56

3.1.1.

Kết quả phân lập vi khuẩn tía quang hợp

56

3.1.2.

Kết quả tuyển chọn vi khuẩn tía quang hợp có khả năng sinh trưởng
và hoạt tính loại bỏ sulfide cao

58


v

3.2.

Những đặc điểm sinh học cơ bản của các chủng vi khuẩn tía quang
hợp không lưu huỳnh được lựa chọn

60

3.2.1.

Đặc điểm hình thái

60

3.2.2.

Đặc điểm sắc tố quang hợp

62

3.2.3.

Khả năng sử dụng các nguồn carbon

65

3.2.4.

Khả năng sử dụng sulfide của các chủng đã lựa chọn

66

3.2.5.

Xác định trình tự gen 16S - rDNA của các chủng lựa chọn

68

3.2.6.

Xác định trình tự gen pufM của các chủng nghiên cứu

70

3.2.7.

Tách dòng gen sqr mã hóa sulfide quinone reductase của ba chủng
lựa chọn

3.3.

73

Nghiên cứu một số yếu tố môi trưởng ảnh hưởng đến sinh trưởng
và khả năng loại bỏ sulfide của các chủng lựa chọn nhằm ứng
dụng trong xử lý sulfide

77

3.3.1.

Ảnh hưởng của nhiệt độ

78

3.3.2.

Ảnh hưởng của pH đến sinh trưởng và hoạt tính khử sulfide

79

3.3.3.

Ảnh hưởng của nồng độ NaCl đến sinh trưởng và hoạt tính loại
bỏ sulfide

81

3.3.4.

Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng

82

3.4

Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất sinh khối vi khuẩn tía
quang hợp không lưu huỳnh

83

3.4.1.

Khả năng sử dụng một số nguồn cơ chất đơn giản

83

3.4.2.

Xây dựng quy trình sản xuất sinh khối vi khuẩn tía quang hợp
không lưu huỳnh

85

3.4.3.

Quy trình sản xuất giống vi khuẩn tía quang hợp không lưu huỳnh

86

3.4.4.

Nghiên cứu lựa chọn chất mang để cố định vi khuẩn

88

3.5.

Thử nghiệm chế phẩm dịch vi khuẩn tía quang hợp xử lý sulfide ở
quy mô phòng thí nghiệm, pilot và điều kiện tự nhiên

3.5.1.
3.5.2.

90

Khả năng xử lý sulfide của chế phẩm dạng dịch trong các nguồn
nước thải ô nhiễm ở quy mô phòng thí nghiệm

90

Thử nghiệm chế phẩm dịch đối với nước nuôi cá rô phi ở quy mô pilot

92


vi

3.5.3.

Thử nghiệm chế phẩm xử lý sulfide và hữu cơ trong đáy ao nuôi
thực tế

3.5.4.

94

Đánh giá vai trò của vi khuẩn tía quang hợp trong chế phẩm thông
qua gen pufM và gen sqr

97

Chương 4: BÀN LUẬN

99

4.1.

Kết quả phân lập và tuyển chọn

99

4.2.

Đặc điểm sinh học của một số đại diện thuộc nhóm vi khuẩn tía
quang hợp không lưu huỳnh

4.3.

Ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường đến sinh trưởng và hoạt
tính loại bỏ sulfide của ba chủng lựa chọn

4.4.

100
104

Khả năng xử lý sulfide trong một số nguồn nước thải và trong đáy
ao nuôi cá rô phi thâm cảnh

107

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

112

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

114

SUMMARY

115

TÀI LIỆU THAM KHẢO

120

PHỤ LỤC


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Blast

: Basic local alignment search tool

Bchl

: Bacteriochlorophyll

BOD

: Biochemical Oxygen Demand

Bp

: Base pair (Cặp bazơ)

cs

: Cộng sự

DNA

: Deoxyribonucleic acid

dNTP

: 2 Deoxyribonucleotide 5 triphosphate

DSMZ

: Doutch samlung microorganisms zentrum

ED

: Entner - Doudoroff

EMP

: Embden - Meyerhof

FCC

: Flavocytochrome c

GOGAT : Glutamine -2- oxoglutarate aminotransferase hay glutamate synthase
GS

: Glutamine synthetase

kb

: Kilo base

kDa

: Kilo Dalton

M

: Marker

OD

: Optical Density (Mật độ quang)

PCR

: Polymerase Chain Reaction (Phản ứng chuỗi trùng hợp)

SQR

: Sulfide quinone reductase

sqr

: Gen mã hóa cho enzyme sulfide quinone reductase

Tag

: Thermus aquaticus

TCA

: Tri carboxylic acid

VKTQH : Vi khuẩn tía quang hợp


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1.

So sánh cực đại hấp thụ của các dạng bacteriochlorophyll ở vi
khuẩn quang hợp (trong tế bào nguyên và trong dịch chiết ete)

Bảng 1.2.

9

Các gốc R1...R7 và cực đại hấp thụ chính của các loại
chlorophyll và bacteriochlorophyll

10

Bảng 1.3.

Các nhóm carotenoid có mặt trong tế bào vi khuẩn quang hợp

10

Bảng 1.4.

Khả năng oxy hóa các hợp chất khử lưu huỳnh của VKTQH

23

Bảng 1.5.

Các nghiên cứu ứng dụng nhóm vi khuẩn quang hợp trong
hệ thống xử lý nước thải chứa sulfide

34

Bảng 2.1.

Các cặp mồi đã sử dụng

43

Bảng 3.1.

Kết quả phân lập vi khuẩn VKTQH không lưu huỳnh

56

Bảng 3.2.

Khả năng sinh trưởng (theo ∆OD800) và hàm lượng sulfide
còn lại trong bình nuôi các chủng VKTQH

Bảng 3.3.

So sánh khả năng sử dụng một số nguồn C của các chủng
lựa chọn với một số loài thuộc chi Rhodobacter

Bảng 3.4.

80

Ảnh hưởng của NaCl đến khả năng sinh trưởng và hoạt tính
khử sulfide của các chủng chọn lựa

Bảng 3.9.

79

Hàm lượng sulfide còn lại trong môi trường sau 5 ngày nuôi
cấy của ba chủng VKTQH ở các pH khác nhau

Bảng 3.8.

72

Hàm lượng sulfide còn lại trong môi trường sau 5 ngày nuôi
cấy VKTQH ở các nhiệt độ khác nhau

Bảng 3.7.

66

Kết quả so sánh trình tự gen pufM của ba chủng VKTQH
với dữ liệu trên GenBank

Bảng 3.6.

65

Ảnh hưởng của sulfide đến mức độ tích lũy sinh khối (∆
∆OD800)
và hoạt tính loại bỏ sulfide của các chủng chọn lựa

Bảng 3.5.

59

81

Hàm lượng sulfide còn lại trong môi trường sau 5 ngày nuôi
cấy của ba chủng lựa chọn ở các cường độ sáng khác nhau

83

Bảng 3.10. Mức độ tích lũy sinh khối (∆OD800) và hàm lượng sulfide
còn lại các chủng lựa chọn trên các môi trường khác nhau

84


ix

Bảng 3.11. Biến động mật độ tế bào VKTQH trong các loại chất mang
theo thời gian bảo quản

89

Bảng 3.12. Khả năng phục hồi sinh trưởng và hoạt tính xử lý sulfide của
VKTQH trong các dạng chế phẩm theo thời gian bảo quản
Bảng 3.13. Mức độ ô nhiễm hữu cơ và sulfide trong các nguồn thải

89
90

Bảng 3.14. Mức độ tích lũy sinh khối (∆OD800) hàm lượng sulfide còn
lại trong môi trường nuôi sau 7 ngày

91

Bảng 3.15. Hàm lượng amoni, nitrite trong nước và hàm lượng sulfide trong
bùn đáy ao trong các bể nuôi cá rô phi sau 4 tháng thí nghiệm

92

Bảng 3.16. Trọng lượng và kích thước trung bình của cá rô phi ở các bể
nuôi sau 4 tháng

93

Bảng 3.17. Biến động hàm lượng BOD3 trong nước ao theo thời gian nuôi

94

Bảng 3.18. Biến động hàm lượng H2S trong nước ao theo thời gian nuôi

95

Bảng 3.19. Biến động hàm lượng H2S trong bùn đáy ao theo thời gian nuôi

96

Bảng 3.20. Tăng trưởng trung bình của cá rô phi

97


x

DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1.

Các loại operon pufM khác nhau của VKTQH

8

Hình 1.2.

Cấu trúc hóa học của vòng porphyrin

9

Hình 1.3.

Sơ đồ cấu tạo của một dạng Chromotophor của vi khuẩn tía
quang hợp

Hình 1.4.

Sơ đồ định vị của các thành phần bộ máy quang hợp sơ cấp
ở VKTQH

Hình 1.5.

13

Các con đường trao đổi chất trung tâm ở VKTQH không
lưu huỳnh

Hình 1.7.

11

Mạch truyền điện tử quang hợp ở VKTQH, VKQH xanh lục
và ở vi khuẩn lam hay thực vật bậc cao

Hình 1.6.

11

18

Cơ chế điều hòa trao đổi chất ở Rhodobacter capsulatus
trong điều kiện quang dưỡng

19

Hình 1.8.

Chu trình nguyên tố lưu huỳnh trong tự nhiên

22

Hình 1.9.

Thang oxy hóa khử của vận chuyển điện tử quang dưỡng và
hóa dưỡng từ sulfide ở nhóm vi khuẩn Proteobacteria

Hình 1.10.

25

Vị trí của sự vận chuyển điện tử từ sulfide trong màng sinh
chất của vi khuẩn Proteobacteria

26

Hình 1.11.

Sự đa dạng của enzyme SQR trong các nhóm vi khuẩn

27

Hình 1.12.

Sự xuất hiện của vi khuẩn tía quang hợp ở mương chứa
nước thải trang trại chăn nuôi

Hình 3.1.

Hình dạng khuẩn lạc (A), hình dạng tế bào dưới kính hiển vi
điện tử với độ phóng đại 8000 lần (B) của chủng TH21

Hình 3.2.

Hình 3.4.

61

Hình dạng khuẩn lạc (A), hình dạng tế bào dưới kính hiển vi
điện tử với độ phóng đại 8000 lần (B) của chủng QN52

Hình 3.3.

32

61

Hình dạng khuẩn lạc (A), hình dạng tế bào dưới kính hiển vi
điện tử với độ phóng đại 4000 lần (B) của chủng QN71

62

Phổ hấp phụ dịch huyền phù tế bào của các chủng lựa chọn

63


xi

Hình 3.5.

Ảnh hưởng của ánh sáng và oxy đến khả năng tổng hợp sắc
tố của các chủng chọn lựa

Hình 3.6.

Kết quả kiểm tra sản phẩm PCR khuếch đại gen 16S-rDNA
bằng điện di trên gel agarose 1%

Hình 3.7.

78

Ảnh hưởng của pH ban đầu đến mức độ tích lũy sinh khối
của các chủng VKTQH sau 5 ngày nuôi cấy

Hình 3.14.

76

Khả năng tích lũy sinh khối của các chủng VKTQH khi
được nuôi cấy ở các khoảng nhiệt độ khác nhau

Hình 3.13.

75

Điện di kiểm tra DNA plasmid tái tổ hợp cắt bằng enzyme
hạn chế XbaI và XhoI

Hình 3.12.

74

Điện di trên gel agarose 1% để chọn lọc các plasmid tái tổ
hợp mang gen sqr

Hình 3.11.

71

Điện di đồ sản phẩm nested PCR gen sqr của ba chủng vi
khuẩn TH21, QN52 và QN71

Hình 3.10.

69

Điện di đồ sản phẩm PCR khuếch đại gen pufM của ba
chủng vi khuẩn TH21, QN52 và QN71

Hình 3.9.

68

Cây phát sinh chủng loại của các chủng VKTQH chọn lựa
dựa trên trình tự nucleotide gene 16S-rDNA

Hình 3.8.

64

80

Mức độ tích lũy sinh khối của chủng TH21, QN52 và QN71 ở
các cường độ chiếu sáng khác nhau

82

Hình 3.15.

Tính đối kháng của ba chủng VKTQH

85

Hình 3.16.

Mức độ tích lũy sinh khối của hỗn hợp chủng giống vi khuẩn
quang hợp trong các mô hình nuôi ở điều kiện tự nhiên

86

Hình 3.17.

Qui trình nhân giống cấp 1 vi khuẩn tía quang hợp

87

Hình 3.18.

Một số mô hình sản xuất sinh khối ngoài tự nhiên

88

Hình 3.19.

Điện di đồ sản phẩm PCR khuếch đại từ mẫu bùn ao nuôi cá
rô phi

98


1

MỞ ĐẦU
Sự bùng nổ dân số cùng với tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa nhanh

chóng đã làm cho chất lượng môi trường ngày càng bị suy giảm và môi trường bị ô
nhiễm nghiêm trọng. Điều đó ảnh hưởng trước mắt và lâu dài đến sức khỏe con
người, phá vỡ sự cân bằng sinh thái. Bảo vệ môi trường sống là mối quan tâm
chung của toàn nhân loại (Idi et al., 2015). Trong đó, vấn đề ô nhiễm nguồn nước là
một thực trạng đáng ngại nhất của sự hủy hoại môi trường. Nguyên nhân của tình
trạng ô nhiễm này là do sự xả thải của các nguồn nước sinh hoạt, từ các nhà máy
của các khu công nghiệp, nước thải chăn nuôi hay từ hoạt động nuôi trồng và chế
biến thủy sản… mà không được xử lý và xả thẳng ra môi trường.
Hầu hết các sông hồ ở các thành phố lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí
Minh, nơi có dân cư đông đúc và nhiều khu công nghiệp lớn này đều bị ô nhiễm. Ở
khu vực Hà Nội có khoảng 600.000 m3 nước thải sinh hoạt mỗi ngày, khoảng
260.000 m3 nước thải từ các khu công nghiệp và 250 tấn rác được thải trực tiếp ra
các ao, hồ, sông ngòi tại Hà Nội. Tại Thành phố Hồ Chí Minh, lượng nước thải sinh
hoạt, nước thải công nghiệp xả thải mỗi ngày khoảng 1 triệu m3, trong đó hơn 90%
lượng nước thải chưa qua xử lý (Nguyễn Khắc Hải, 2006). Các nguồn nước thải này
có chứa nhiều các chất độc hại như các chất hữu cơ dễ và khó phân hủy, kim loại
nặng, các vi sinh vật gây bệnh v.v... Nước thải thường có nồng độ oxy hòa tan thấp,
tạo điều kiện cho các vi sinh vật yếm khí và kỵ khí phát triển mạnh phân hủy các
hợp chất hữu cơ tạo thành lớp bùn đen chứa các sulfide kim loại và các khí độc như
H2S, CH4 - là sản phẩm tạo ra từ quá trình khử sulfate và sinh metan (Nguyễn Văn
Hảo et al., 2004). Sự có mặt của H2S trong các kênh mương chứa nước thải quanh
khu dân cư tạo nên mùi khó chịu, gây nên hiện tượng chóng mặt, nhức đầu, có thể
gây ngộ độc ở 10 mg/l, thậm chí có thể chết nếu thở lâu trong môi trường chứa khí
H2S và hậu quả là ảnh hưởng rất nặng nề đến chất lượng sống của cộng đồng (Hurse
et al., 2008). Bên cạnh vấn đề ô nhiễm nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp
thì vấn đề ô nhiễm do các hoạt động trong nuôi trồng thủy sản cũng đáng lo ngại.


2

Nguyên nhân gây ô nhiễm do các hoạt động của quá trình nuôi như: chất thải từ vật
nuôi, thức ăn dư thừa, các hóa chất tích tụ ở đáy tạo thành lớp bùn ô nhiễm phân
hủy thành các chất như sulfide, ammonia, khí metan…, trong đó sulfide là chất gây
hại cho vật nuôi làm giảm năng suất hoặc mất mùa (Nguyễn Văn Hảo et al., 2004).
Đã có nhiều công trình nghiên cứu và nhiều hệ thống xử lý đã được lắp đặt
có hiệu quả để xử lý các nguồn nước thải giàu chất hữu cơ, nước thải công nghiệp
chứa kim loại nặng v.v... Tuy nhiên, vấn đề xử lý sulfide còn ít được quan tâm, đặc
biệt là xử lý bằng các biện pháp sinh học.
Có hai nhóm vi khuẩn tự nhiên có khả năng tham gia xử lý sulfide là vi khuẩn
hiếu khí và vi khuẩn kỵ khí. Vi khuẩn hiếu khí chỉ phát triển được trong môi trường có
hàm lượng oxy hòa tan cao. Tuy nhiên, các hợp chất hữu cơ, các hợp chất chứa lưu
huỳnh trong nguồn nước thải thường lắng đọng và tích tụ trong các lớp đáy bùn, nơi có
hàm lượng oxy thấp. Do đó, để khử các hợp chất của lưu huỳnh trong điều kiện kỵ
khí và yếm khí thì vai trò chủ yếu là nhờ nhóm vi khuẩn kỵ khí (Husre et al., 2008).
Gần đây, nhiều nước trên thế giới như Nhật Bản, Ấn Độ, Mỹ v.v… đã chú
trọng tới nhóm vi khuẩn tía quang hợp (VKTQH) vì chúng có khả năng loại bỏ các
hợp chất hữu cơ và các hợp chất lưu huỳnh cao. Sinh khối VKTQH còn được sử
dụng vào rất nhiều mục đích khác như: tách chiết các hoạt chất có giá trị, sử dụng
làm thức ăn tươi sống phục vụ sản xuất giống hải sản…
Ở Việt Nam, trong những năm gần đây VKTQH đã được tìm kiếm, phân
lập và nghiên cứu nhằm ứng dụng trong công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường, thu
nhận các hoạt chất sinh học có giá trị, làm thức ăn tươi sống trong nuôi trồng thủy
sản v.v… Để tiếp tục ứng dụng nhóm vi khuẩn này trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm,
bảo vệ môi trường, chúng tôi đề xuất đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng vi khuẩn tía
quang hợp để xử lý sulfide trong các nguồn nước ô nhiễm".
Mục tiêu của đề tài
- Có được chủng giống VKTQH phân lập ở Việt Nam có khả năng xử lý sulfide.
- Có được chế phẩm xử lý môi trường ô nhiễm sulfide và các hợp chất hữu
cơ từ các chủng chọn lựa, xác định được sự tồn tại và vai trò của chúng khi đưa vào
môi trường tự nhiên.

3

Nội dung nghiên cứu
1. Phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn quang hợp tía có khả năng
loại bỏ sulfide cao từ các nguồn nước ô nhiễm.
2. Nghiên cứu các đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hóa của một số chủng đã
lựa chọn.
3. Phân loại một số chủng trên cơ sở các đặc điểm hình thái và sử dụng kỹ
thuật PCR để phân tích trình tự gene 16S- rDNA và gen pufM.
4. Tách dòng và xác định trình tự gen sqr mã hóa cho enzyme sulfide
quinone reductase (enzyme chìa khóa của quá trình oxy hóa sulfide).
5. Nghiên cứu các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sinh trưởng và khả
năng loại bỏ sulfide của các chủng lựa chọn nhằm ứng dụng trong xử lý sulfide
(nhiệt độ, pH, ánh sáng, nồng độ sulfide, nồng độ muối).
6. Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất sinh khối tạo chế phẩm ứng dụng.
7. Ứng dụng chế phẩm VKTQH để xử lý sulfide.
- Trong điều kiện phòng thí nghiệm: Đánh giá khả năng xử lý sulfide trong
các nguồn nước thải.
- Đánh giá khả năng ứng dụng của chế phẩm ở điều kiện pilot và ao nuôi tự
nhiên: khả năng tồn tại và phát triển, đặc biệt là hoạt động chuyển hóa của VKTQH
bằng các kỹ thuật truyền thống và sinh học phân tử thông qua sự có mặt của gene
pufM và gene sqr và khả năng loại bỏ sulfide trong nước và bùn đáy.
Những đóng góp mới của luận án
1. Đã phân lập được các VKTQH tại Việt Nam và bước đầu xử lý sulfide ở
điều kiện tự nhiên trong các ao nuôi cá rô phi.
2. Lần đầu tiên sử dụng các gen pufM (mã hóa cho tiểu phần M của protein
liên kết với sắc tố nằm trong tâm phản ứng quang hợp) và gen sqr (mã hóa sulfide
quinone reductase) ở các chủng vi khuẩn Rhodobacter sphaeroides, Rhodovullum

sulphidophilum phân lập tại Việt Nam để đánh giá sự tồn tại và vai trò xử lý sulfide
của các chủng vi khuẩn tía quang hợp.


4

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
Vi khuẩn tía quang hợp thuộc nhóm vi khuẩn thủy sinh có khả năng sinh
trưởng trong điều kiện kỵ khí bằng cách quang hợp nhưng không thải oxy như những
đối tượng quang dưỡng khác. Khi được chiếu sáng, rất nhiều loài trong nhóm này có
khả năng sinh trưởng quang tự dưỡng với CO2 làm nguồn carbon hoặc sinh trưởng
quang dị dưỡng với các chất hữu cơ làm nguồn carbon. Nhóm vi khuẩn này có các kiểu
trao đổi chất rất linh hoạt tùy thuộc vào điều kiện môi trường sống nên chúng phân bố
rất rộng rãi trong tự nhiên. Nhờ có khả năng đặc biệt về trao đổi carbon, khả năng cố
định nitơ phân tử, khả năng sử dụng các hợp chất khử của lưu huỳnh làm chất cho điện
tử trong quang hợp mà chúng là những đối tượng được quan tâm của nhiều nhà khoa
học trên thế giới. Chúng không những có giá trị trong nghiên cứu cơ bản như nghiên
cứu cơ chế quang hợp, cơ chế cố định nitơ phân tử, cơ chế oxy hóa các hợp chất của
lưu huỳnh… mà chúng còn có giá trị ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt ứng
dụng trong xử lý môi trường (Imhoff, 1989, 1995; Madigan et al., 2000; Kantachote
et al., 2005; Madukasi et al., 2009, 2011). Nhóm VKTQH thường có màu hồng đến
đỏ tía, sắc tố quang hợp chính là bacteriochlorophyll (Bchl) và nguồn cho điện tử
trong quá trình quang hợp không phải là nước (như những đối tượng quang dưỡng
khác) mà là các hợp chất khác nhau như: hydro, các axit hữu cơ đơn giản, lưu huỳnh,
hydro sulfide, thiosulfide và các hợp chất khử của lưu huỳnh (Brune, 1989; 1995).
Theo khóa phân loại của Bergey (1989), chúng được chia thành 2 nhóm: vi

khuẩn tía quang hợp lưu huỳnh - có khả năng tích lũy giọt lưu huỳnh bên trong tế
bào và vi khuẩn tía quang hợp không lưu huỳnh - không có khả năng tích lũy giọt
lưu huỳnh bên trong tế bào (Imhoff and Truper, 1989; 2001).
1.1.2. Sinh thái học của vi khuẩn tía quang hợp
Vi khuẩn tía quang hợp phân bố rộng rãi trong tự nhiên, chúng có mặt trong
các ao hồ tù đọng, các vùng đầm nước lợ hoặc mặn như các đáy ao nuôi trồng thủy


5

sản, trong đất, trong các kênh mương chứa nước thải, trong hệ thống xử lý nước
thải… (Imhoff and Truper, 1992; Kobayashi and Kobayashi, 1995; Okubo et al.,
2006; Hoogewert et al., 2003; Zhu et al., 2002).
Trong các đáy ao nuôi trồng thủy sản ven biển thường có hàm lượng sulfate
đáng kể, nhóm vi khuẩn khử sulfate hoạt động sẽ tạo thành sulfide ở tầng đáy,
sulfide khuếch tán từ tầng đáy lên trên theo cột nước bởi sự chênh lệch gradient
nồng độ. Khi có mặt sulfide với hàm lượng nhất định, nhóm VKTQH có thể sinh
trưởng ở vùng có ánh sáng xuyên qua (Pfennig, 1978a). Ở các độ sâu khác nhau có
thể thu nhận được các loài khác nhau. Nếu sinh khối VKTQH phát triển mạnh, sẽ
xuất hiện sự nở hoa của ao, hồ làm cho ao hồ có màu đỏ, tía hoặc có màu đỏ nâu.
Khi sự nở hoa trong hồ xảy ra, người ta có thể phân biệt được hình thái tế bào đặc
trưng của các chi của VKTQH dưới kính hiển vi. Trong các ao hồ có sự "nở hoa",
có thể bắt gặp hỗn hợp các loài hoặc có thể chỉ xuất hiện một loài VKTQH (Pfennig
1978, 1989; Overmann et al., 1994, 1996, 1999).
Các hồ xử lý nước thải là nơi có điều kiện phù hợp cho sự phát triển của
nhóm VKTQH không lưu huỳnh sinh trưởng. Tại bang Minnesota (Mỹ), trong hồ
xử lý nước thải chế biến rau quả đã quan sát thấy sự nở hoa của nhóm VKTQH
không lưu huỳnh, khi có sự nở hoa này thì không còn phát hiện được các mùi hôi
trong hồ, các loài VKTQH chủ yếu là: Rba. sphaeroides, Rba. capsulatus, Rps.
palustris (Cooper et al., 1975).

Tác giả Okubo và cộng sự (2006) đã phát hiện ra nhóm VKTQH không lưu
huỳnh trong kênh chứa nước thải chăn nuôi tạo nên một tấm thảm có màu đỏ, trong
đó xuất hiện các loài như Rba. sphaeroides, Rba. capsulatus, và các loài trong chi
Rhodopseudomonas, đặc biệt là Rps. palustris (Okubo et al., 2006).
Ngoài ra, còn 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 ở hồ có băng bao phủ 4 -7 m
ở Antarstica vẫn phát hiện sự có mặt của nhóm vi khuẩn này (Guerero et al., 1987;
Madigan, 2003, Kompantseva et al., 2012).


6

1.1.3. Hình thái và phân loại học của vi khuẩn tía quang hợp
* Đặc điểm hình thái
Sự đa dạng về hình thái tế bào của nhóm VKTQH là đặc điểm quan trọng
được sử dụng để phân loại chúng.
Vi khuẩn tía quang hợp là các tế bào Gram âm, đơn bào và có các dạng hình
cầu, xoắn, gậy, phẩy, cũng có thể gặp chúng ở trạng thái chuỗi trong những điều
kiện môi trường đặc biệt. Kích thước của tế bào thường từ 0,3 - 6 µm. Đa số các
loài đều sinh sản bằng cách nhân đôi, một số loài 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 (Bergey, 1989).
* Phân loại của VKTQH
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 nhóm vi khuẩn này là Rhodobacteria.
Nhóm vi khuẩn này bao gồm hai họ Thiorhodaceae (là những vi khuẩn tía có khả năng
hình thành giọt "S" bên trong tế bào) và Athiorhodaceae (là những vi khuẩn tía không
có khả năng hình thành giọt "S" trong tế bào (Imhoff, 2001).

Nhóm VKTQH 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. Đa số các loài trong nhóm này có thể sinh trưởng trên môi trường chứa
sulfide và có thể oxy hóa sulfide ở các mức độ khác nhau, sản phẩm cuối cùng có
thể là: S0, S4O62- hoặc SO42-. Vì vậy, khi sinh trưởng trên môi trường chứa sulfide
thì có thể dễ dàng phân biệt được nhóm vi khuẩn tía lưu huỳnh và nhóm vi khuẩn
tía không lưu huỳnh nhờ sự quan sát giọt lưu huỳnh tích lũy trong hay ngoài tế bào
dưới kính hiển vi điện tử phản pha (Imhoff and Truper, 1989; Michael et al., 2008).
Theo khóa phân loại của Bergey (1989) vi khuẩn quang hợp được chia làm
ba nhóm: vi khuẩn tía quang hợp, vi khuẩn xanh quang hợp và nhóm vi khuẩn hiếu
khí chứa bacteriochlorophyll (nhưng không xếp vào hai nhóm trên). Riêng nhóm
VKTQH được chia làm ba họ:


7

- Họ Chromatiaceae: gồm tất cả các vi khuẩn lưu huỳnh màu tía có khả
năng hình thành giọt lưu huỳnh bên trong tế bào.
- Họ Ectothiorhodospiraceae: gồm tất cả các vi khuẩn lưu huỳnh màu tía có
khả năng hình thành giọt lưu huỳnh bên ngoài tế bào.
- Họ Rhodospirilaceae: gồm tất cả các VKTQH hợp không tích lũy giọt lưu huỳnh.
Tuy nhiên, theo hệ thống phân loại của Bergey (năm 2001) dựa vào thành
phần acid béo, quinone, trình tự và kích thước của cytochrome c VKTQH lại được
xếp vào ba phân lớp:
- Alphaproteobacteria: gồm VKTQH không lưu huỳnh và VKTQH hiếu khí.
- Betaproteobacteria: cũng gồm VKTQH không lưu huỳnh.
- Gammaproteobacteria: gồm hai họ Chromatiaceae và Ectothiorhodospriraceae.
Gần đây, sự phân loại vi khuẩn quang hợp không chỉ dựa vào các phân tích

về hình thái tế bào, đặc tính sinh lý sinh hóa mà còn dựa trên các thông tin về di
truyền và nguồn gốc phát sinh. Một trong những thông tin di truyền quan trọng
được sử dụng trong phân loại các vi khuẩn là thông tin về trình tự gen ADN
riboxom 16S. Đây là một gen có tính bảo thủ cao trong quá trình tiến hóa của sinh
vật, có kích thước đủ lớn để xác định thông tin di truyền với mức độ tin cậy cao
(Luking et al., 1976). Hơn nữa, trình tự nucleotide của toàn bộ gen này ở nhiều vi
khuẩn đã được xác định nên việc so sánh về quan hệ di truyền giữa chúng được tiến
hành dễ dàng. Do đó, trong khóa phân loại của Bergey năm 1994 và hệ thống phân
loại của Bergey năm 2001, mối quan hệ di truyền giữa các vi khuẩn đã được thiết
lập dựa vào phân tích trình tự gen 16S rDNA. Nhờ có thông tin về trình tự
nucleotide của gen 16S - rDNA hệ thống phân loại của VKTQH cũng đã được sắp
xếp ngày một hoàn thiện hơn. Ngày nay, với sự đa dạng của nhóm VKTQH bên
cạnh việc phân tích thông tin di truyền gen 16S rDNA, người ta còn 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
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 (Hình 1.1).


8

Hình 1.1. Các loại operon puf khác nhau của VKTQH
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. Ví dụ RC ở Rhodopseudomonas sphaeroides có ba tiểu phần L,
M, H có khối lượng phân tử là: 19, 22, 28 kDa, tương ứng (Trần Văn Nhị, 2005). Gen

pufL và pufM có mặt trong tất cả các loại operon puf, chúng có vai trò quan trọng trong
quá 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. Ngoài việc dùng gen pufM để phân loại nhóm vi khuẩn này người ta còn sử dụng
như một công cụ cho việc phát hiện khả năng sinh sống trong cả điều kiện môi trường
thuận lợi và khắc nghiệt (Madigan, 2003; Karr et al., 2003; Achenbach et al., 2001).
1.1.4. Một số đặc điểm sinh lý, sinh hóa của vi khuẩn tía quang hợp
1.1.4.1. Quá trình quang hợp
Cũng giống như những đối tượng quang dưỡng khác, VKTQH tiến hành quang
hợp để thu nhận năng lượng sử dụng cho các hoạt động sống của tế bào. Tuy nhiên, không
giống các đối tượng quang dưỡng khác như tảo và thực vật bậc cao, VKTQH không sử
dụng nước làm chất cho điện tử mà thay vào đó 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, do đó không
thải oxy (Wraigh, 1982). Phương trình tổng quát của phản ứng quang hợp được viết như sau:
CO2 + 2H2A + hv

[CH2O]n + 2A + H2O

Chú thích: Ở tảo và thực vật bậc cao: H2A chính là H2O;
Ở VKQH: H2A có thể là chất hữu cơ đơn giản, các hợp chất khử của lưu huỳnh hoặc hydro
phân tử. Trong đó các chất hữu cơ vừa đóng vai trò làm chất cho điện tử vừa làm nguồn C
trong quá trình quang hợp.


9

* Sắc tố quang hợp của VKTQH

Bacteriochlorophyll (Bchl)
Sắc tố quang hợp chính ở vi khuẩn quang hợp là bacteriochlorophyll (Bchl).
Hiện nay bacteriochlorophyll được chia thành 5 nhóm a, b, c, d và e theo sự khác
nhau về cấu trúc phân tử và cực đại của phổ hấp thụ trong vùng ánh sáng đỏ. Sự
khác nhau về cực đại hấp thụ các loại Bchl được trình bày ở Bảng 1.1.

Bảng 1.1. So sánh cực đại hấp thụ của các dạng bacteriochlorophyll
ở vi khuẩn quang hợp (trong tế bào nguyên và trong dịch chiết ete)
Dạng
bacteriochlorophyll
a
b
c
d
e

Nhóm vi khuẩn
Vi khuẩn tía
Vi khuẩn tía
Vi khuẩn xanh
Vi khuẩn xanh S
Vi khuẩn xanh dạng sợi

Cực đại hấp thụ (nm)
Chiết trong ete
Trong tế bào
770-775
830-890
790
1020-1030

660
745-755
650
710-740
705-710
Nguồn: Prennig và Trueper, 1992.

Cũng giống như chlorophyll, Bchl bao gồm một vòng pyrol và 7 gốc hydro
(R1-R7). Sự khác biệt giữa các loại Bchl là cấu trúc của các gốc R và chính sự khác
biệt này dẫn đến sự khác nhau về các cực đại của quang phổ hấp thụ. Công thức hóa
học tổng quát của vòng porphyrin (cấu trúc chính của chlorophyll và Bchl) được trình
bày ở Hình 1.2 và Bảng 1.2. Đa số các đại diện nhóm VKTQH chứa sắc tố quang hợp
chính là Bchl a. Nhưng một số loài lại chứa Bchl b như: Thiocapsa pfennigii (thuộc họ
vi khuẩn tía lưu huỳnh), Rhodopseudomonas sulfoviridis, Rhodopseudomonas viridis
(thuộc họ vi khuẩn tía không lưu huỳnh) (Imhoff và Truper, 1989). Tuy nhiên, màu sắc
của dịch huyền phù tế bào vi khuẩn quang hợp không chỉ phụ thuộc vào Bchl mà còn
phụ thuộc vào carotenoids. Thành phần sắc tố này rất đa dạng ở vi khuẩn quang hợp.

Hình 1.2. Cấu trúc hoá học của vòng porphyrin
Nguồn: Gusev và Minieva, 1985.


10

Bảng 1.2. Các gốc R1...R7 và cực đại hấp thụ chính
của các loại chlorophyll và bacteriochlorophyll
Gốc
R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

Cực đại
hấp thụ
chính trong
tế bào (nm)

-CH3*

-C2H5

-CH3

-C-O-CH3
O

Phyton

-H

850 - 890

Sắc tố
Bacterio-C-CH3
chlorophyll a O
"

b

"

-CH3*

=CH -CH3

"

"

"

"

1020 - 1040

"

c

-C-CH3
OH

-CH3*

-C2H5

-C2H5

"

Phyton
hoặc
phenazol

-CH3

750 - 760

"

"

"

-H

Phenazol

-H

720-740

-CH=O

"

"

"

Phenazol

-CH3

715 - 725

Chlorophyll a CH=CH2

- CH3

- C2H5

-CH3

Phyton

-H

680-685

Chlorophyll b

- C=O
H

"

"

-C-O-CH3
O
"

"

"

650-660

"

d

"

e

"

"

Nguồn: Gusev và Minieva, 1985; Nguyễn thành Đạt., 2007.
Ghi chú: Phyton: C20H39OH; Phamezol: C15H25OH; Heramyl- heramyol: C20H33OH
(*) vòng pyrol II bị khử, liên kết giữa C (3) và C (4) bão hòa, 2 hydro gắn thêm vào C3, C4
(**) vòng pyrol II bị khử, liên kết giữa C (3) và C (4) bão hòa, 1 hydro gắn thêm vào C3

Carotenoid
Ngoài Bchl, vi khuẩn quang hợp còn chứa các carotenoid. Sự phân biệt màu
sắc của các chủng và các loài trong tự nhiên là do sự khác nhau về thành phần Bchl và
carotenoid và tỷ lệ hàm lượng của chúng có trong tế bào. Carotenoid có thể được
phân chia thành 4 nhóm theo cấu trúc phân tử và cực đại hấp thụ (Bảng 1.3). Carotenoid
cũng là đặc điểm được sử dụng để phân loại VKTQH (Imhoff và Truper, 1989).

Bảng 1.3. Các nhóm carotenoid có mặt trong tế bào vi khuẩn quang hợp
Nhóm
Họ carotenoid
1
Spirilloxanthinin thường

Các carotenoid chính
Lycopenen, rhodopinin, spirilloxanthinin

2

Spirilloxanthinin thay thế

Chloroxanthinin, sphaeroidenen, sphaeroidenonon,
(spiriloxanthinin)

3

Okenonene

Okenonon

4

Rhodopinal

Lycopenen, lycopenalal, lycopenolol, rhodopinin,
rhodopinalal, rhodopinolol, (spirilloxanthinin)
Nguồn: Imhoff và Truper, 1989.


11

* Định vị của 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) (Hình 1.3).

Màng
quang
hợp

Hình 1.3. Sơ đồ cấu tạo của một dạng Chromotophor của vi khuẩn tía quang hợp
Nguồn: Trần Văn Nhị, 2005.

* Đơn vị quang hợp
Đơn vị quang hợp gồm có các thành phần chủ yếu sau đây:
• Sắc tố anten để thu nhận năng lượng ánh sáng
• Tâm phản ứng của quang hệ (ký hiệu là P) đây là Bchl nhưng ở trạng thái

dimer. Chúng gắn kết với chất cho và 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 1.4).

Hình 1.4. Sơ đồ định vị của các thành phần bộ máy quang hợp sơ cấp ở VKTQH
Trung tâm phản ứng quang hóa-RC trong phức hợp mạch truyền điện tử, cùng với tập hợp
sắc tố anten LH1 và LH2 và phức hợp bc1 (Strümpfer et al, 2011).

Khi tế bào chứa hàm lượng các sắc tố quang hợp cao, màng quang hợp gập
sâu vào phía trong vùng sinh chất. Các kiểu gập rất khác nhau mang tính đặc trưng


12

loài và được chia thành các dạng: lớp mỏng (lamellar), dạng ống (tubular) hay dạng
bóng túi (vescicular) (Prennig và Trueper, 1992).
* Hoạt động của bộ máy quang hợp sơ cấp
Hấp thụ ánh sáng
Giai đoạn đầu tiên của quá trình quang hợp là hấp thụ ánh sáng bởi sắc tố
anten. Quá trình hấp thụ ánh sáng là quá trình vật lý lượng tử đơn thuần. Cơ sở của
quá trình này là sự tương tác giữa vectơ điện trường của lượng tử ánh sáng với phân
tử sắc tố. Khi hấp thụ lượng tử ánh sáng điện tử từ quỹ đạo thấp sẽ chuyển sang quỹ
đạo cao hơn và phân tử chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích. Từ
đây, năng lượng được chuyển vào trung tâm phản ứng, ở tâm phản ứng xẩy ra quá
trình phân chia điện tích và tạo ra dòng điện tử qua mạch chuyển điện tử (Condrad
và Schlegel, 1977b).
Hoạt động của mạch truyền điện tử
Ở VKTQH chỉ có một hệ thống quang hóa với một tâm phản ứng, do đó sự
vận chuyển điện tử của chúng rất khác biệt so với mạch truyền điện tử ở thực vật
bậc cao (nơi có hai hệ quang hóa với hai tâm phản ứng). Sự khác biệt này được mô

tả ở Hình 1.5 (Kondratieva và Gogotov, 1981).
Nguyên lý hoạt động của mạch truyền điện tử quang hợp trong vi khuẩn tía
Khi trung tâm phản ứng P870 được kích thích thì quá trình phân chia điện
tích xẩy ra. Điện tử được chuyển đến chất nhận điện tử đầu tiên (Bchl -Bpheo)
ngược chiều nhiệt động học (từ thế +0,4V đến - 0,2V). Từ đó điện tử có thể tự đi
qua quinon A, quinon B, hệ cytochrom bc1 và quay về P870. Quá trình vận chuyển
điện tử vòng này tạo ra năng lượng dưới dạng ATP. Để tạo ra các hợp chất khử
(NADH), VKTQH đòi hỏi chất cho điện tử từ bên ngoài như: các hợp chất hữu cơ,
các hợp chất khử của lưu huỳnh hay hydro. Nhờ có năng lượng và chất khử này mà
dòng điện tử có thể đi ngược lên feredoxin để tạo ra NADH từ NAD+.
Vi khuẩn tía quang hợp có thể sản xuất ra một lượng lớn ATP, NAD+ trong
quá trình quang hợp để sử dụng trong cố định CO2.