Vi khuẩn quang hợp (Phototrophic bacteria) là gì ?

Vi khuẩn quang hợp (Phototrophic bacteria – PSB) là vi khuẩn có khả năng tổng hợp thức ăn bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời (hoặc bất kì loại ánh sáng nào nằm trong bước sóng mà chúng có thể hấp thụ được). Không giống như thực vật, tảo và vi khuẩn lam, chúng sử dụng hydro (H₂), hydro sunfua (H₂S) hoặc lưu huỳnh (S) làm chất cho điện tử.

1. Khái niệm

Vi khuẩn quang hợp theo tên hiểu nghĩa là một loại vi khuẩn có thể tiến hành tác dụng quang hợp, tác dụng quang hợp của nó không giống như tác dụng quang hợp của thực vật:

• Tác dụng của quang hợp thực vật là dùng H₂O để cung cấp H, dùng CO₂ để cung cấp nguồn C, qua tác dụng quang hợp mà sản sinh ra chất hữu cơ và nhả ôxy.
• Tác dụng quang hợp của vi khuẩn quang hợp là dùng H₂S để cung cấp H, dùng CO₂ để cung cấp nguồn C, qua phản ứng quang hợp sản sinh ra chất hữu cơ, không thể nhả ôxy.

Vi khuẩn quang hợp cũng khác với vi khuẩn lam ở chỗ chúng không có chất diệp lục để hấp thụ ánh sáng mà chúng chứa chất diệp lục khuẩn, có khả năng hấp thụ ánh sáng có bước sóng ngắn hơn chất diệp lục. Do đó, chúng được tìm thấy trong các thủy vực sâu nơi ánh sáng có bước sóng ngắn có thể xuyên qua được.

Ngoài ra chúng cũng phân bố rộng rãi ở ruộng, ao, hồ, sông, biển và trong đất, đặc biệt là trong đất bùn giàu hữu cơ và ô nhiễm. Vi khuẩn quang hợp là loại vi sinh vật trong thuỷ quyển, phân bố rộng rãi ở ruộng nước ao hồ, sông ngòi, hồ, biển và trong đất, đặc biệt là trong đất bùn dưới nước bị vật hữu cơ ô nhiễm số lượng tương đối nhiều.

2. Phân loại

Về mặt phân loại, vi khuẩn quang hợp thuộc ngành vi khuẩn, lớp chân khuẩn, bộ khuẩn ốc hồng. Hiện đã biết vi khuẩn quang hợp của bộ khuẩn này gồm hai bộ phụ, bốn họ, mười chín giống, khoảng 49 loài. Hiện nay, vi khuẩn quang hợp, sử dụng trong nuôi thuỷ sản thông thường phần lớn là một loại vi khuẩn trong họ khuẩn ốc hồng, nhất là khuẩn giả đơn bào hồng ở ao đầm có nhiều.

Trước khi vào phần phân loại, để hiểu rõ hơn các khái niệm về kỵ khí, hiếu khí, quang tự dưỡng (vô cơ và hữu cơ), quang dị dưỡng (vô cơ và hữu cơ), mời các bạn xem trước 2 bài viết:

Xem thêm 5 điểm khác nhau giữa vi sinh hiếu khí và vi sinh kỵ khí

Xem thêm Sự khác biệt giữa vi sinh vật tự dưỡng và vi sinh vật dị dưỡng

Phân loại chi tiết Vi khuẩn quang hợp (Phototrophic bacteria – PSB)
(nguồn: Vi sinh vật học – Phần 1: Thế giới vi sinh vật – GS. TS Sinh học Nguyễn Lân Dũng)

2.1. Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (Purple sulfur bacteria)

Thuộc nhóm này là các vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, có khả năng quang tự dưỡng vô cơ (photolithoautotroph), tế bào có chứa chlorophyll a hoặc b, hệ thống quang hợp chứa các màng hình cầu hay hình phiến (lamellar) gắn với màng sinh chất.

Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang hợp thường sử dụng H₂, H₂S hay S,.Có khả năng di động với tiên mao mọc ở cực, có loài chu mao, tỷ lệ G+C là 45 – 70%.

2.2. Vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía (Nonsulfure purple bacteria)

Vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía là nhóm vi khuẩn quang dị dưỡng hữu cơ (photoorganoheterotrophs) thường kỵ khí bắt buộc, một số loài là quang tự dưỡng vô cơ không bắt buộc (trong tối là hoá dị dưỡng hữu cơ- chemoorganoheterotrophs).

Tế bào chứa chlorophyl a hoặc b, hệ thống quang hợp chứa các màng hình cầu hay hình phiến (lamellar) gắn với màng sinh chất. Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang hợp thường sử dụng chất hữu cơ, đôi khi sử dụng hợp chất lưu huỳnh dạng khử hoặc H₂.

Có khả năng di động với tiên mao mọc ở cực, hoặc không di động, một số loài có túi khí (gas vesicles), tỷ lệ G+C là 61 – 72%.

👉 Chi Rhodopseudomonas nằm trong nhóm này.

2.3. Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục (Green sulfure bacteria)

Thuộc nhóm này là các vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, có khả năng quang tự dưỡng vô cơ (photolithoautotroph), tế bào có chứa chlorophyll a cùng với b, c hoặc e, chứa caroten nhóm 5, hệ thống quang hợp liên quan đến các lục thể (chlorosom) và độc lập đối với màng sinh chất.

Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang hợp thường sử dụng H₂, H₂S hay S . Hạt lưu huỳnh tích luỹ bên ngoài tế bào Không có khả năng di động loài có túi khí; tỷ lệ G+C là 48 – 58%

2.4. Vi khuẩn không lưu huỳnh màu lục (Green nonsulfur bacteria)

Thuộc nhóm này là các vi khuẩn đa bào, dạng sợi,thường kỵ khí không bắt buộc ,thường là quang dị dưỡng (photoheterotroph), có loài quang tự dưỡng hoặc hoá dị dưỡng. Tế bào có chứa chlorophyll a và c, trong điều kiện kỵ khí thấy có chlorosom.

Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang dị dưỡng là glucose, axit amin, axit hữu cơ; trong quang tự dưỡng là H₂, H₂S. Di động bằng phương thức 55%. Chi điển hình là Chloroflexus., Chloronema

2.5. ­ Vi khuẩn lam (Ngành Cyanobacteria)

Trước đây thường nhầm lẫn là Tảo lam (Cyanophyta). Thực ra đây là những cơ thể nhân nguyên thuỷ, không liên quan gì đến tảo, ngoài khả năng quang hợp hiếu khí (quang tự dưỡng vô cơ) và dùng H2O làm chất cho điện tử trong quá trình quang hợp.

Vi khuẩn lam chứa chlorophyll a và phycocyanin- phycobiliprotein, một số loài có sắc tố đỏ phycoerythrin. Chúng phối hợp với sắc tố lục tạo nên màu nâu. Màng liên kết với phycobilisom. Đơn bào hoặc đa bào dạng sơi. Không di động hoặc di động bằng cách trườn (gliding), một số loài có túi khí (gas vesicles). Nhiều loại có dị tế bào (heterocysts) và có khả năng cố định nitơ.

Vi khuẩn lam có mặt ở khắp mọi nơi, trong đất, trên đá, trong suối nước nóng, trong nước ngọt và nước mặn. Chúng có năng lực chống chịu cao hơn so với thực vật đối với các điều kiện bất lợi như nhiệt độ cao, pH thấp. Một số loài có khả năng sống cộng sinh với các cơ thể khác như Rêu, Dương xỉ, Tuế… nhiều loài cộng sinh với nấm để tạo ra Địa y (Lichen). Vi khuẩn lam có thể là sinh vật xuất hiện sớm nhất trên Trái đất.

3. Đặc điểm quang hợp

Ðặc điểm của loại vi khuẩn này là tính thích ứng mạnh, bất kể là trong nước biển hay trong nước ngọt, trong những điều kiện khác nhau có ánh sáng mà không có ôxy hoặc tối tăm mà có ôxy đều có thể lơị dụng chất hữu cơ (axit béo cấp thấp amino axít, đường) để phát triển:

• Trong điều kiện không có ôxy, có ánh sáng, có thể lợi dụng các sunfit, phân tử H hoặc vật hữu cơ khác làm thành dioxide carbon CO₂ cố định tiến hành tác dụng quang hợp. Phương trình phản ứng như sau:

2H₂S + CO₂ tác dụng quang hợp → CH₂O + H₂O + 2S

• Trong điều kiện có ôxy và tối tăm, chúng có thể lợi dụng vật hữu cơ như axit béo cấp thấp tạo nguồn carbon để tiến hành tác dụng quang hợp. Phương trình phản ứng như sau:

C₄H₆O₅ + H₂O ánh sáng 2CH₂O + 2CO₂ + 2H₂

Từ phương trình trên có thể thấy rằng tác dụng quang hợp mà vi khuẩn quang hợp tiến hành về hình thức có sự sai khác rất lớn với thực vật, đồng thời tương đối phức tạp. Ưu điểm của nó là có thể lợi dụng phương thức quang hợp kiểu phi thực vật này để thích ứng với môi trường sinh tồn khác nhau.

(Phương trình quang hợp ở thực vật:

6CO₂ + 12H₂O→ C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O )

Hiện nay, ở Trung Quốc qua hơn hai mươi năm nghiên cứu, phát triển đã phát triển vi khuẩn quang hợp thành chế phẩm sinh học thương mại hoá vừa có các dạng nước, vừa có dạng bột. Ngoại quan của dạng nước là chất lỏng màu nâu hồng, dạng bột khác nhau theo sự khác nhau của vật mang, hàm lượng khuẩn cũng khác nhau tuỳ theo nhà sản xuất, số lượng khuẩn sống ở mỗi ml là mấy chục triệu hoặc mấy trăm triệu con.

4. Ứng dụng trong thủy sản

Một số ứng dụng cơ bản của vi khuẩn quang dưỡng:

4.1. Kiểm soát khí H₂S cực độc

Khí này cực kì nguy hiểm, có mùi trứng thối. H₂S xuất hiện sẽ làm tôm nhiễm độc và chết hàng loạt. Do đặc tính của loài Vi khuẩn quang hợp này là sử dụng H₂S làm nguồn dinh dưỡng nên việc sử dụng Vi khuẩn quang hợp trong nuôi trồng thủy sản sẽ giúp kiểm soát được khí H₂S trong ao.

4.2. Kiểm soát pH

Về nguyên lý, khi khí H₂S sinh ra trong ao nuôi sẽ kết hợp với Oxy trong ao sẽ tạo ra axit sunfuric (H₂SO₄), làm giảm pH trong ao, dẫn tới việc tôm sẽ bị sốc và tạo điều kiện cho các loài vi khuẩn có hại phát triển. Đồng thời pH quá thấp sẽ làm tăng độc lực của các khí độc và vi khuẩn có hại, ảnh hưởng rất lớn đến tôm.

Phương trình sản sinh axit sunfuric trong ao nuôi khi có sự có mặt của H₂SO₄:

• 2H₂S + O₂ → 2H₂O + 2S + Q
• 2S + 3O₂ + 2H₂O → 2H₂SO₄ + Q
• 5Na₂S₂O₃ + H₂O + 4O₂ → Na₂SO₄ + 2S₂ + H₂SO₄ + Q

Chú thích: Na có trong muối (NaCl), trong kiềm (NaOH), khoáng, … còn S₂O₃ là hợp chất lưu huỳnh vô cơ (S₂O₃^2-).

👉 Sử dụng vi khuẩn quang hợp trong ao nuôi để hạn chế sự hình thành khí H₂S, từ đó, giảm thiểu việc hình thành axit sunfuric (H₂SO₄), giúp điều hòa pH trong ao nuôi.

4.3. Kiểm soát khí độc NH₃, NO₂

Khí NH₃ được hình thành từ mùn bã hữu cơ, thức ăn dư thừa, phân tôm, cá, … xác tảo chết, xác động vật hay thực vật sau một thời gian phân hủy dưới tác động của các vi sinh vật. Về mặt nguyên lý tự nhiên, khí NH₃ sẽ tự khuếch tán trong nước, thành NH₄⁺ ít độc hơn, phương trình như sau:

NH₃ + H₂O → NH₄⁺ + OH^–

Qua thời gian, Amoni (NH₄⁺) dưới sự tác động của các nhóm vi sinh vật Nitrosomonas sp và Nitrosococcus sp sẽ chuyển hóa thành khí độc NO₂, đây là một loại khí độc rất phổ biến trong ao nuôi, khó xử lý và gây ra nhiều thiệt hại cho người nuôi.

Nếu trong nước ao nuôi có nhóm vi sinh vật Nitrobacter sp và Nitrospira sp phát triển mạnh, chúng sẽ chuyển hóa NO₂^– thành NO₃^– (ít độc nếu độ mặn đủ cao). Quá trình diễn ra phản ứng sinh hóa này gọi là quá trình nitrat hóa, phương trình như sau:

NH₄⁺/NH₃ (rất độc) + (Nitrosomonas sp. và Nitrosococcus sp.) → NO₂^– (rất độc) + (Nitrobacter sp. + Nitrospira sp) → NO₃^– (ít độc)

Trong ao luôn có sự hiện diện của các nhóm vi khuẩn Nitrosomonas sp và Nitrobacter sp nhưng mật độ rất thấp, và do chúng không thể tăng trưởng tự nhiên nhanh như các loài vi khuẩn thông thường khác nên quá trình Nitrat hóa thường xảy ra rất yếu, chậm và tôm cá thường dễ bị ngộ độc do NH₃ tích tụ, tăng nhanh.

Nhóm các vi sinh vật này là các vi sinh vật hiếu khí, chỉ phát triển và hoạt động mạnh nếu hàm lượng DO (Oxy hòa tan) trong nước đủ cao. Điều này có nghĩa hàm lượng DO trong nước ao nuôi đóng vai trò rất quan trọng trong việc khử độc NH₃ và NO₂ trong ao nuôi.

Vi khuẩn quang hợp có khả năng phân hủy các mùn bã hữu cơ, thức ăn dư thừa, phân tôm, cá, … xác tảo chết, xác động vật hay thực vật và biến những vật này thành thức ăn của chúng, cho nên việc bổ sung Vi khuẩn quang hợp sẽ giúp hạn chế được khí độc NH₃, từ đó hạn chế và kiếm soát được khí độc NO₂.

Quá trình Nitrat hóa cơ bản (nguồn: trên hình)

4.4. Bổ sung dinh dưỡng

Bổ sung protein (hơn 60%), vitamin nhóm B, sắc tố carotenoid, folacin và các chất kích thích tăng trưởng.

4.5. Kích thước nhỏ

Vi khuẩn quang hợp có kích thước nhỏ nên vừa miệng ấu trùng tôm, cá và các loài nhuyễn thể 2 mảnh nhỏ.

4.6. Giá thành rẻ

Vi khuẩn quang hợp nói chung và vi sinh Rhodopseudomonas plustris nói riêng là vi sinh vật dễ nuôi, dễ tăng sinh (1 lít nguyên liệu có thể tăng sinh ra 20 lít thành phẩm) nên mức giá trên thị trường cũng tương đối rẻ, phù hợp với mọi hộ nuôi, mang lại hiệu quả kinh tế cao.

Nguồn:

thuykhicongnghiep.vn, Wiki, tschem.com.vn, UV – Việt Nam, microbelift.vn, labvietchem.com.vn, nongnhan.com
Vi sinh vật học – Phần 1: Thế giới vi sinh vật – GS. TS Sinh học Nguyễn Lân Dũng

Thông tin chi tiết vui lòng liên hệ:

Hotline/Zalo: 08888 3 15 17   |     Email: labvn.net@gmail.com

LabVN - Chuyên vật tư, dịch vụ và vi sinh thủy sản

Rhodobacter sp.

Lactobacillus sp.

Bacillus sp.

Lactacin

All.Zyme

Bac.Yu