Đăng ký
096 883 9903 Email
Kỹ thuật môi trường
(+84) 96 883 9903 kythuatmoitruong.contact@gmail.com

Tế bào vi sinh vật trao đổi chất như thế nào?

06-07-2025 Newater Việt Nam

Mỗi tế bào vi sinh vật giống như một nhà máy sống tí hon. Để tồn tại, phát triển và xử lý chất ô nhiễm, tế bào cần lấy chất từ bên ngoài, biến đổi bên trong, và thải ra sản phẩm – quá trình này gọi là: Trao đổi chất (Metabolism). Trao đổi chất là nền tảng cho mọi hoạt động sống – từ tạo năng lượng, tổng hợp protein, đến sinh sản.

1. Tế bào vi sinh vật trao đổi chất như thế nào?

Vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước thải không chỉ “ăn chất hữu cơ rồi sinh sôi”. Bên trong mỗi tế bào diễn ra một mạng lưới phản ứng liên tục nhằm ba mục tiêu cơ bản: *thu nhận vật chất, bảo tồn năng lượng và tổng hợp các thành phần cần thiết cho sự sống*.

Toàn bộ mạng lưới phản ứng đó được gọi là *trao đổi chất (metabolism)*.

Đối với kỹ thuật môi trường, hiểu trao đổi chất giúp giải thích tại sao cùng một loại nước thải nhưng hiệu suất xử lý có thể thay đổi khi \(\mathrm{DO}\), nguồn carbon, nitrate, pH, nhiệt độ hoặc tải lượng thay đổi. Những thông số vận hành này không trực tiếp “xử lý” chất ô nhiễm; chúng làm thay đổi điều kiện mà vi sinh vật sử dụng để chuyển electron, tạo năng lượng và tổng hợp sinh khối.

Có thể khái quát quá trình:

*cơ chất và chất dinh dưỡng → vận chuyển vào tế bào → phản ứng chuyển hóa → năng lượng + tiền chất → duy trì tế bào + sinh khối mới + sản phẩm chuyển hóa*

Trong đó, hai nhóm phản ứng lớn nhất là *dị hóa và đồng hóa*.

2. Trao đổi chất là gì?

Trao đổi chất là toàn bộ các phản ứng hóa sinh xảy ra trong tế bào nhằm biến đổi vật chất và năng lượng.

Tế bào vi sinh vật là một hệ mở. Nó liên tục trao đổi với môi trường:

  • nguồn carbon;
  • chất cho electron;
  • chất nhận electron;
  • nitrogen;
  • phosphorus;
  • sulfur;
  • nguyên tố vi lượng;
  • nước và ion.

Những chất này sau khi đi vào tế bào được đưa qua các con đường chuyển hóa khác nhau.

Một phần được oxy hóa để thu năng lượng.

Một phần được chuyển thành các chất trung gian.

Một phần được dùng để tổng hợp protein, axit nucleic, lipid, polysaccharide và các cấu tử khác của tế bào.

Phần còn lại được giải phóng ra môi trường dưới dạng sản phẩm chuyển hóa.

Vì vậy, trao đổi chất không chỉ là “phân hủy chất ô nhiễm”. Nó bao gồm cả *thu nhận năng lượng, duy trì tế bào và tạo sinh khối mới*.

3. Dị hóa và đồng hóa

Hai nhánh cơ bản của trao đổi chất là *dị hóa (catabolism) và đồng hóa (anabolism)*.

3.1. Dị hóa

Dị hóa là tập hợp các phản ứng giúp tế bào khai thác năng lượng từ các chất cho electron và tạo ra các chất trung gian phục vụ chuyển hóa.

Ở vi sinh vật dị dưỡng, dị hóa thường gắn với quá trình phân giải hoặc oxy hóa các hợp chất hữu cơ.

Ví dụ:

*chất hữu cơ → chất trung gian → CO₂ + sản phẩm chuyển hóa + năng lượng*

Nhưng dị hóa không chỉ xảy ra với chất hữu cơ.

Vi sinh vật hóa dưỡng vô cơ có thể lấy năng lượng từ quá trình oxy hóa:

  • ammonia;
  • nitrite;
  • hydrogen;
  • sulfur khử;
  • sắt hóa trị II;
  • các chất vô cơ khác.

Do đó, cách hiểu:

*“dị hóa = phân giải chất hữu cơ phức tạp”*

là chưa đủ.

Bản chất sâu hơn là:

*dị hóa tạo ra dòng electron và giải phóng năng lượng tự do mà tế bào có thể bảo tồn dưới dạng ATP, gradient điện hóa hoặc các chất mang năng lượng khác.*

3.2. Đồng hóa

Đồng hóa là quá trình sử dụng năng lượng, tiền chất và nguyên tố dinh dưỡng để xây dựng vật chất tế bào.

Tế bào cần tổng hợp:

  • protein;
  • axit nucleic;
  • lipid;
  • polysaccharide;
  • enzyme;
  • cấu tử màng;
  • các polymer dự trữ.

Quá trình này cần đồng thời:

*nguồn carbon + nitrogen + phosphorus + sulfur + nguyên tố vi lượng + năng lượng + khả năng khử*

Vì vậy, nếu nước thải có nhiều \(\mathrm{COD}\) nhưng thiếu nitrogen hoặc phosphorus, sinh trưởng vi sinh vật vẫn có thể bị giới hạn.

Có thể biểu diễn khái quát:

$$\text{Tiền chất carbon} + N + P + S + \text{năng lượng} + \text{khả năng khử} \rightarrow \text{vật chất tế bào}$$

Dị hóa và đồng hóa vì vậy không tách rời nhau. Dị hóa cung cấp năng lượng và tiền chất, còn đồng hóa sử dụng chúng để duy trì và tạo mới tế bào.

Mối quan hệ giữa dị hóa và đồng hóa trong tế bào vi sinh vật

4. Carbon, electron và năng lượng không phải cùng một khái niệm

Đây là một trong những điểm quan trọng nhất khi học chuyển hóa vi sinh vật.

Một chất có thể đóng vai trò là:

  • nguồn carbon;
  • chất cho electron;
  • nguồn năng lượng;

nhưng ba vai trò này không phải lúc nào cũng thuộc về cùng một chất.

4.1. Nguồn carbon

Nguồn carbon cung cấp nguyên tử carbon để tổng hợp vật chất tế bào.

Vi sinh vật dị dưỡng thường lấy carbon từ chất hữu cơ.

Vi sinh vật tự dưỡng có thể sử dụng carbon vô cơ, chủ yếu dưới dạng \(CO_2\) hoặc \(HCO_3^-\), làm nguồn carbon để tổng hợp sinh khối.

4.2. Chất cho electron

Chất cho electron là chất bị oxy hóa và cung cấp electron cho quá trình chuyển hóa.

Ví dụ:

  • hợp chất hữu cơ;
  • ammonia;
  • nitrite;
  • \(H_2\);
  • sulfide;
  • \(Fe^{2+}\).

Chất cho electron có vai trò trung tâm trong việc hình thành năng lượng vì dòng electron có thể được ghép nối với phản ứng khử một chất nhận electron.

4.3. Chất nhận electron

Chất nhận electron tiếp nhận electron ở cuối một con đường hô hấp hoặc phản ứng oxy hóa – khử.

Ví dụ:

  • \(O_2\);
  • \(NO_3^-\);
  • \(NO_2^-\);
  • \(SO_4^{2-}\);
  • \(CO_2\) trong một số quá trình chuyển hóa;
  • các hợp chất khác tùy nhóm vi sinh vật.

Chất nhận electron quyết định rất lớn đến con đường chuyển hóa và lượng năng lượng tế bào có thể bảo tồn.

4.4. Nguồn năng lượng

Nguồn năng lượng cuối cùng có thể đến từ:

  • năng lượng hóa học của phản ứng oxy hóa – khử;
  • ánh sáng đối với vi sinh vật quang dưỡng.

Trong xử lý nước thải, phần lớn các quá trình quan trọng thuộc nhóm sử dụng năng lượng hóa học.

Thành phần Vai trò Ví dụ
Nguồn carbon Cung cấp carbon để tổng hợp sinh khối Chất hữu cơ, CO2, HCO3^-
Chất cho electron Bị oxy hóa, cung cấp electron Chất hữu cơ, NH_3/NH_4^ + , NO2^-, H_2
Chất nhận electron Nhận electron O2, NO3^-, SO_4^{2-}
Nguồn năng lượng Cung cấp năng lượng cho chuyển hóa Phản ứng oxy hóa – khử hoặc ánh sáng

Việc phân biệt bốn khái niệm này giúp giải thích các quá trình xử lý sinh học chính xác hơn rất nhiều.

5. Dòng electron là trung tâm của chuyển hóa năng lượng

Trong nhiều phản ứng chuyển hóa, tế bào lấy electron từ một chất cho electron và chuyển chúng đến một chất nhận electron.

Có thể mô tả tổng quát:

$$\text{Chất cho electron dạng khử} \rightarrow \text{Chất cho electron dạng oxy hóa} + e^-$$

Electron sau đó được chuyển đến chất nhận electron:

$$\text{Chất nhận electron dạng oxy hóa} + e^- \rightarrow \text{Dạng khử}$$

Nếu tổng quá trình thuận lợi về mặt nhiệt động, một phần năng lượng giải phóng có thể được tế bào bảo tồn.

Đây là cơ sở của rất nhiều quá trình xử lý sinh học.

Trong xử lý chất hữu cơ hiếu khí:

*chất hữu cơ → electron → \(O_2\)*

Trong khử nitrat dị dưỡng:

*chất hữu cơ → electron → \(NO_3^-\)*

Trong nitrat hóa:

*ammonia hoặc nitrite → electron → \(O_2\)*

Vì vậy, để hiểu một quá trình sinh học, ba câu hỏi rất quan trọng là:

  • chất cho electron là gì;
  • chất nhận electron là gì;
  • carbon sinh khối lấy từ đâu.

6. Tế bào bảo tồn năng lượng như thế nào?

Năng lượng giải phóng từ chuyển hóa không thể được sử dụng trực tiếp dưới một dạng duy nhất.

Tế bào bảo tồn năng lượng thông qua nhiều cơ chế, trong đó quan trọng nhất là:

  • ATP;
  • gradient điện hóa qua màng;
  • các chất mang electron khử.

ATP đóng vai trò trung gian ghép nối giữa phản ứng giải phóng năng lượng và các quá trình tiêu tốn năng lượng.

Tuy nhiên, ATP không phải dạng năng lượng duy nhất. Ở vi khuẩn, *động lực proton* qua màng sinh chất cũng là một dạng năng lượng rất quan trọng.

Dòng electron qua chuỗi truyền electron có thể được sử dụng để vận chuyển proton qua màng.

Kết quả hình thành chênh lệch điện hóa:

$$\text{Truyền electron} \rightarrow \text{động lực proton} \rightarrow \text{ATP synthase} \rightarrow ATP$$

ATP sau đó được sử dụng cho:

  • tổng hợp sinh khối;
  • vận chuyển chủ động;
  • sửa chữa tế bào;
  • duy trì cân bằng ion;
  • nhiều phản ứng sinh tổng hợp.

Chi tiết cấu trúc và cơ chế ATP nên được xem trong bài chuyên sâu riêng về ATP.

7. Chuyển hóa chất hữu cơ ở vi sinh vật dị dưỡng

Trong nhiều công trình xử lý nước thải, vi sinh vật dị dưỡng chiếm vai trò quan trọng trong việc loại bỏ chất hữu cơ.

Chất hữu cơ trong nước thải có thể tồn tại dưới nhiều dạng:

  • đường;
  • axit hữu cơ;
  • axit amin;
  • protein;
  • lipid;
  • carbohydrate phức tạp;
  • các hợp chất hữu cơ khác.

Những hợp chất phân tử lớn thường không thể đi trực tiếp qua màng tế bào.

Chúng có thể phải trải qua:

*thủy phân ngoại bào → tạo phân tử nhỏ hơn → vận chuyển vào tế bào → chuyển hóa nội bào*

Ví dụ protein có thể được protease thủy phân thành peptide và axit amin.

Polysaccharide có thể được enzyme ngoại bào thủy phân thành đường đơn hoặc oligomer nhỏ hơn.

Sau khi vào tế bào, cơ chất được chuyển hóa qua các con đường phù hợp.

Điều quan trọng là *vi sinh vật không “phân hủy \(\mathrm{BOD}\)”*.

\(\mathrm{BOD}\) là một chỉ tiêu thể hiện nhu cầu oxy sinh hóa, không phải một cơ chất cụ thể.

Vi sinh vật thực tế phân hủy các hợp chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học. Khi lượng các hợp chất này giảm, \(\mathrm{BOD}\) của nước thải cũng giảm theo.

8. Đường phân là một con đường quan trọng nhưng không phải toàn bộ trao đổi chất

Glucose thường được sử dụng để minh họa chuyển hóa vì đường phân là một con đường sinh hóa cơ bản và dễ theo dõi.

Trong đường phân:

$$\text{Glucose} \rightarrow \text{Pyruvate}$$

Quá trình tạo ra ATP ở mức cơ chất và các chất mang electron khử.

Tuy nhiên, không nên lấy glucose làm mô hình duy nhất cho trao đổi chất vi sinh vật.

Trong nước thải thực tế, vi sinh vật có thể sử dụng hàng loạt cơ chất khác nhau. Nhiều cơ chất đi vào mạng chuyển hóa tại những vị trí khác nhau mà không nhất thiết phải bắt đầu bằng glucose.

Đặc biệt, vi sinh vật nitrat hóa không lấy năng lượng chủ yếu từ glucose.

Do đó, đường phân nên được hiểu là *một ví dụ về chuyển hóa carbon hữu cơ*, không phải sơ đồ chung của mọi vi sinh vật.

9. Pyruvate và chu trình acid citric

Trong mô hình chuyển hóa dị dưỡng điển hình, pyruvate có thể được chuyển thành acetyl-CoA trước khi đi vào *chu trình acid citric*, còn gọi là chu trình TCA hoặc chu trình Krebs.

Có thể khái quát:

$$\text{Pyruvate} \rightarrow \text{Acetyl-CoA} \rightarrow \text{Chu trình TCA}$$

Chu trình TCA có hai vai trò rất quan trọng.

Thứ nhất, nó tham gia oxy hóa carbon và tạo các chất mang electron khử để cung cấp electron cho chuỗi hô hấp.

Thứ hai, nó tạo ra nhiều chất trung gian phục vụ sinh tổng hợp.

Do đó, chu trình TCA không chỉ là “máy tạo năng lượng”.

Nó là một điểm nối giữa:

*dị hóa ↔ đồng hóa*

Các chất trung gian của chu trình có thể được rút ra để tổng hợp axit amin và các cấu tử tế bào khác. Khi đó, tế bào phải bổ sung lại các chất trung gian thông qua những phản ứng khác để duy trì hoạt động của chu trình.

10. Có oxy và không có oxy không đồng nghĩa với “Krebs hoặc lên men”

Một cách giải thích phổ biến là:

*có oxy → hô hấp*

*không oxy → lên men*

Cách phân chia này không chính xác đối với vi sinh vật.

Cần phân biệt ba trường hợp.

10.1. Hô hấp hiếu khí

Trong hô hấp hiếu khí, \(O_2\) đóng vai trò chất nhận electron cuối cùng.

Electron được chuyển qua chuỗi truyền electron và năng lượng được bảo tồn dưới dạng gradient điện hóa.

10.2. Hô hấp sử dụng chất nhận electron khác oxy

Nhiều vi sinh vật có thể hô hấp mà không sử dụng \(O_2\).

Ví dụ, một số vi sinh vật sử dụng nitrate làm chất nhận electron.

Trong trường hợp này vẫn tồn tại:

*chất cho electron → chuỗi truyền electron → chất nhận electron → bảo tồn năng lượng*

Do đó, không có oxy không đồng nghĩa với không có hô hấp.

10.3. Lên men

Trong lên men, tế bào không sử dụng một chuỗi hô hấp với chất nhận electron ngoài tế bào theo cách của hô hấp.

Các chất hữu cơ trung gian thường đóng vai trò nhận electron.

ATP thường được tạo chủ yếu bằng phosphoryl hóa mức cơ chất.

Sản phẩm lên men có thể rất đa dạng:

  • lactate;
  • ethanol;
  • acetate;
  • propionate;
  • butyrate;
  • hydrogen;
  • carbon dioxide;
  • các hợp chất khác.

Vì vậy, câu:

*“thiếu oxy → pyruvate tạo lactate hoặc ethanol”*

chỉ mô tả một vài trường hợp, không đại diện cho chuyển hóa vi sinh vật nói chung.

11. Chuỗi truyền electron và hô hấp

Trong hô hấp, electron không chuyển trực tiếp từ cơ chất đến ATP.

Electron được truyền qua một chuỗi protein và chất mang nằm trên màng sinh chất của vi khuẩn.

Năng lượng giải phóng trong quá trình truyền electron được sử dụng để tạo gradient điện hóa.

Sau đó ATP synthase khai thác gradient này:

$$ADP + P_i \rightarrow ATP$$

Do đó, chuỗi logic chính xác là:

*chất cho electron → chất mang electron → chuỗi truyền electron → gradient điện hóa → ATP synthase → ATP*

Chất nhận electron cuối cùng phụ thuộc vào loại vi sinh vật và điều kiện môi trường.

Trong hô hấp hiếu khí, chất nhận cuối cùng có thể là:

$$O_2$$

Trong các kiểu hô hấp khác, có thể tồn tại những chất nhận electron khác.

Thành phần chuỗi truyền electron cũng thay đổi giữa các nhóm vi sinh vật; không thể áp dụng một sơ đồ duy nhất cho tất cả.

Chuỗi truyền electron, gradient proton và ATP synthase trên màng tế bào vi khuẩn

12. Trao đổi chất trong quá trình nitrat hóa

Nitrat hóa là ví dụ rất rõ cho thấy vi sinh vật không nhất thiết phải dùng chất hữu cơ làm nguồn năng lượng.

Ở mức khái quát:

$$NH_3/NH_4^+ \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO_3^-$$

Các vi sinh vật oxy hóa ammonia lấy electron từ ammonia.

Các vi sinh vật oxy hóa nitrite lấy electron từ nitrite.

Electron được đưa vào các hệ truyền electron và một phần năng lượng của quá trình oxy hóa được bảo tồn để tạo ATP và duy trì tế bào.

Nhiều vi sinh vật nitrat hóa sử dụng carbon vô cơ làm nguồn carbon để tổng hợp sinh khối.

Điều này có nghĩa:

*nguồn carbon và nguồn năng lượng của chúng không nhất thiết là cùng một chất.*

Đây là khác biệt quan trọng so với nhiều vi sinh vật dị dưỡng.

Cũng vì năng lượng thu được và chi phí cố định carbon khác nhau, nhóm vi sinh vật nitrat hóa thường có đặc tính sinh trưởng khác đáng kể so với vi sinh vật dị dưỡng phân hủy chất hữu cơ.

13. Trao đổi chất trong quá trình khử nitrat

Trong khử nitrat, nitrate có thể đóng vai trò chất nhận electron trong điều kiện thích hợp.

Một con đường khử nitrat hoàn chỉnh có thể được biểu diễn:

$$NO_3^- \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO \rightarrow N_2O \rightarrow N_2$$

Nếu quá trình là khử nitrat dị dưỡng, chất hữu cơ thường đóng vai trò chất cho electron.

Có thể khái quát:

*chất hữu cơ → electron → nitrate/nitrite → sản phẩm nitrogen khử*

Do đó, hiệu quả khử nitrat phụ thuộc không chỉ vào sự có mặt của nitrate mà còn vào:

  • nguồn electron phù hợp;
  • quần thể vi sinh vật;
  • điều kiện oxy;
  • pH;
  • thời gian tiếp xúc;
  • khả năng vận chuyển cơ chất.

Khái niệm này giải thích tại sao một vùng thiếu khí có nitrate nhưng thiếu nguồn carbon vẫn có thể khử nitrat kém.

14. Trao đổi chất trong hệ kỵ khí

Trong hệ thống kỵ khí, trao đổi chất thường không phải là hoạt động của một loài vi sinh vật duy nhất.

Chất hữu cơ phức tạp có thể trải qua nhiều giai đoạn:

*thủy phân → lên men → tạo các chất trung gian → tạo acetate, \(H_2\), \(CO_2\) → sinh methane*

Mỗi nhóm vi sinh vật đảm nhiệm một phần khác nhau của mạng chuyển hóa.

Sản phẩm của nhóm này có thể trở thành cơ chất của nhóm khác.

Vì vậy, hệ kỵ khí hoạt động ổn định phụ thuộc rất nhiều vào *cân bằng trao đổi chất giữa các quần thể*.

Nếu một nhóm tạo sản phẩm trung gian nhanh hơn nhóm tiếp theo có thể sử dụng, các chất trung gian có thể tích lũy và làm hệ thống mất ổn định.

Đây là lý do cần nhìn hệ kỵ khí như một mạng sinh thái chuyển hóa chứ không chỉ là một phản ứng “chất hữu cơ → methane”.

15. Sinh khối được tạo thành từ đâu?

Sinh khối không phải là phần chất ô nhiễm “biến thành vi khuẩn” theo tỷ lệ đơn giản.

Để hình thành tế bào mới, vi sinh vật cần:

  • nguồn carbon;
  • nitrogen;
  • phosphorus;
  • sulfur;
  • nguyên tố vi lượng;
  • ATP;
  • khả năng khử;
  • các tiền chất sinh tổng hợp.

Carbon có thể được dùng để tạo:

  • protein;
  • lipid;
  • polysaccharide;
  • axit nucleic;
  • các cấu tử tế bào khác.

Một phần cơ chất cũng được oxy hóa để tạo năng lượng thay vì trở thành sinh khối.

Do đó, dòng vật chất có thể hình dung:

$$\text{Cơ chất} \rightarrow \begin{cases} \text{oxy hóa để thu năng lượng} \\ \text{tạo tiền chất sinh tổng hợp} \\ \text{sản phẩm chuyển hóa} \end{cases}$$

Tỷ lệ phân chia phụ thuộc vào loại vi sinh vật, cơ chất và điều kiện môi trường.

16. Không phải toàn bộ năng lượng đều dùng để tạo sinh khối

Tế bào tiêu tốn năng lượng ngay cả khi không phân chia.

Năng lượng cần cho:

  • duy trì gradient ion;
  • duy trì pH nội bào;
  • sửa chữa protein;
  • thay thế cấu tử hư hỏng;
  • duy trì màng;
  • vận chuyển chất;
  • đáp ứng với stress.

Phần năng lượng này thường được gọi là *nhu cầu duy trì*.

Vì vậy:

*cơ chất tiêu thụ ≠ toàn bộ cơ chất biến thành sinh khối*

Một phần cơ chất phải được oxy hóa để cung cấp năng lượng duy trì ngay cả khi tốc độ sinh trưởng thấp.

Khái niệm này đặc biệt quan trọng khi phân tích hệ thống có thời gian lưu bùn dài hoặc tải lượng cơ chất thấp.

17. Trao đổi chất và sinh khối hoạt tính

\(\mathrm{MLSS}\) hoặc \(\mathrm{MLVSS}\) không trực tiếp phản ánh tốc độ trao đổi chất của quần thể vi sinh.

Trong cùng một lượng bùn có thể tồn tại:

  • tế bào hoạt động mạnh;
  • tế bào có hoạt tính thấp;
  • tế bào chết;
  • EPS;
  • vật chất hữu cơ không phải sinh khối sống;
  • mảnh tế bào.

Vì vậy:

*nhiều bùn không đồng nghĩa với chuyển hóa mạnh.*

Khả năng xử lý thực tế phụ thuộc vào:

*loại vi sinh vật + trạng thái sinh lý + enzyme chức năng + cơ chất + chất nhận electron + điều kiện môi trường*

Đây là lý do một hệ thống vẫn có \(\mathrm{MLSS}\) cao nhưng hiệu suất nitrat hóa hoặc loại bỏ chất hữu cơ có thể suy giảm.

18. Từ trao đổi chất đến hiệu suất xử lý nước thải

Các thông số vận hành tác động đến công trình thông qua việc thay đổi chuyển hóa của tế bào.

18.1. Oxy hòa tan

\(\mathrm{DO}\) quyết định khả năng cung cấp oxy cho những quá trình sử dụng \(O_2\) làm chất nhận electron.

Khi \(\mathrm{DO}\) giảm, tốc độ hô hấp hiếu khí có thể bị giới hạn và cấu trúc chuyển hóa của hệ vi sinh có thể thay đổi.

18.2. Nguồn carbon

Nguồn carbon có thể vừa là nguyên liệu tổng hợp sinh khối vừa là chất cho electron đối với nhiều vi sinh vật dị dưỡng.

Thiếu nguồn carbon có thể làm giảm tốc độ khử nitrat dị dưỡng hoặc hạn chế sinh trưởng.

18.3. pH

pH ảnh hưởng đến:

  • hoạt tính enzyme;
  • trạng thái ion hóa của cơ chất;
  • gradient proton;
  • cân bằng hóa học;
  • khả năng duy trì nội môi tế bào.
18.4. Nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng enzyme, cấu trúc protein và tốc độ sinh trưởng.

Nếu vượt khỏi vùng thích hợp, hoạt tính chuyển hóa có thể suy giảm mạnh.

18.5. Chất độc

Một chất độc có thể ảnh hưởng đến:

  • enzyme;
  • protein màng;
  • chuỗi truyền electron;
  • tính toàn vẹn màng;
  • DNA;
  • khả năng bảo tồn năng lượng.

Do đó, hiệu suất xử lý có thể suy giảm trước khi sinh khối chết hoàn toàn.

18.6. Truyền khối

Ngay cả khi tế bào có đầy đủ enzyme, cơ chất vẫn phải đến được tế bào.

Trong bông bùn hoặc biofilm:

*pha lỏng → bề mặt sinh khối → khuếch tán vào trong → màng tế bào → phản ứng*

Nếu truyền khối chậm hơn phản ứng sinh hóa, tốc độ tổng thể sẽ bị giới hạn bởi truyền khối.

19. Một số cách hiểu sai thường gặp

19.1. Sinh vật “ăn \(\mathrm{BOD}\)”

Không chính xác.

\(\mathrm{BOD}\) là chỉ tiêu, không phải cơ chất.

Vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học; quá trình sử dụng các chất này làm \(\mathrm{BOD}\) giảm.

19.2. Trao đổi chất của vi sinh vật luôn bắt đầu từ glucose

Không đúng.

Glucose chỉ là một cơ chất điển hình để minh họa.

Vi sinh vật có thể sử dụng nhiều hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ khác nhau.

19.3. Không có oxy thì chỉ xảy ra lên men

Không đúng.

Vi sinh vật có thể sử dụng các chất nhận electron khác trong hô hấp.

Lên men chỉ là một trong những chiến lược chuyển hóa khi không sử dụng chuỗi hô hấp theo cách thông thường.

19.4. Amoni là nguồn carbon của vi sinh vật nitrat hóa

Không đúng.

Ammonia chủ yếu đóng vai trò chất cho electron đối với vi sinh vật oxy hóa ammonia.

Nhiều vi sinh vật nitrat hóa lấy carbon từ \(CO_2/HCO_3^-\).

19.5. ATP là nguồn năng lượng ban đầu của tế bào

Không đúng.

ATP là chất trung gian bảo tồn và truyền năng lượng.

Năng lượng ban đầu đến từ phản ứng oxy hóa – khử hoặc ánh sáng.

19.6. Một glucose luôn tạo một số ATP cố định

Không đúng khi áp dụng cho vi sinh vật nói chung.

Hiệu suất bảo tồn năng lượng phụ thuộc vào:

  • con đường chuyển hóa;
  • cấu trúc chuỗi truyền electron;
  • loài vi sinh vật;
  • chất cho electron;
  • chất nhận electron;
  • điều kiện sinh lý.

Do đó không nên lấy một giá trị như 36 hoặc 38 ATP/glucose làm quy luật chung cho vi sinh vật môi trường.

20. Ý nghĩa đối với kỹ sư môi trường

Trao đổi chất là cầu nối giữa *điều kiện vận hành và hiệu suất xử lý*.

Khi phân tích một công trình sinh học, thay vì chỉ hỏi:

“Vi sinh vật có sống không?”

nên đặt thêm các câu hỏi:

  • chất cho electron là gì;
  • chất nhận electron có đủ không;
  • carbon sinh khối lấy từ đâu;
  • tế bào có đủ N và P để đồng hóa không;
  • cơ chất có tiếp cận được tế bào không;
  • hệ enzyme có đang hoạt động không;
  • năng lượng tạo ra có đủ cho duy trì và sinh trưởng không;
  • sản phẩm của nhóm vi sinh này có trở thành cơ chất cho nhóm khác không;
  • có chất độc cản trở chuỗi truyền electron hoặc enzyme không.

Cách tiếp cận này giúp phân tích bản chất của nhiều vấn đề vận hành tốt hơn việc chỉ nhìn vào nồng độ \(\mathrm{MLSS}\) hoặc tổng lượng vi sinh.

Có thể tóm tắt toàn bộ mối quan hệ:

*cơ chất + chất cho electron + chất nhận electron + dinh dưỡng → chuyển hóa tế bào → năng lượng + tiền chất → sinh khối + sản phẩm → hiệu suất xử lý*

21. Kết luận

Trao đổi chất của vi sinh vật là mạng lưới phản ứng giúp tế bào thu nhận vật chất, chuyển electron, bảo tồn năng lượng và tổng hợp các cấu tử cần thiết cho sự sống.

Hai nhánh chính là *dị hóa và đồng hóa*. Dị hóa cung cấp năng lượng và chất trung gian; đồng hóa sử dụng năng lượng, carbon và các nguyên tố dinh dưỡng để tạo sinh khối.

Đối với kỹ thuật môi trường, điểm quan trọng nhất không phải là ghi nhớ một con đường duy nhất như “glucose → Krebs → ATP”, mà là hiểu ba câu hỏi cơ bản:

*carbon lấy từ đâu?*

*electron đến từ đâu?*

*electron cuối cùng đi đâu?*

Từ ba câu hỏi này có thể giải thích được sự khác biệt giữa phân hủy chất hữu cơ, nitrat hóa, khử nitrat, lên men và nhiều quá trình sinh học khác.

Có thể khái quát:

*nguồn vật chất → dòng electron → bảo tồn năng lượng → sinh tổng hợp → hoạt động tế bào → chuyển hóa chất ô nhiễm*

Đây là nền tảng để tiếp tục đi sâu vào ATP, protein, enzyme, hô hấp tế bào, nitrat hóa, khử nitrat và động học sinh trưởng của vi sinh vật trong các công trình xử lý môi trường.

Bài viết liên quan

Công cụ phân tích và nhận dạng vi sinh vật Protein là gì? Những “nhân viên đa năng” trong tế bào vi sinh vật