Hô hấp kỵ khí

Các electron dẫn xuất từ đường và các phân tử hữu cơ khác thường được chuyển cho các chất nhận electron hữu cơ nội sinh hoặc cho O₂ thông qua chuỗi vận chuyển electron (hình 2). Tuy nhiên nhiều vi khuẩn có các chuỗi vận chuyển hoạt động với các chất nhận electron từ bên ngoài khác O₂. Quá trình sản sinh năng lượng này được gọi là hô hấp kỵ khí. Các chất nhận electron chủ yếu là nitrate, sulfate và CO₂ nhưng các kim loại và một số phân tử hữu cơ cũng có thể bị khử (bảng 3).

Một số vi khuẩn có thể sử dụng nitrate làm chất nhận electron và tổng hợp ATP. Quá trình này thường được gọi là sự khử nitrate dị hoá (dissimilatory nitratee reduction). Nitrate có thể bị khử thành nitrite bởi nitrate - reductase là enzyme thay thế Cytochrome-oxydase.

NO₃^­- + 2e + 2H⁺ NO₂^­-+H₂O

Tuy nhiên sự khử nitrate thành nitrite không phải là con đường thu nhận ATP có hiệu lực vì để sinh trưởng vi khuẩn cần một lượng lớn nitrate (1 phân tử nitrate chỉ nhận 2 electron). Nitrite tạo thành lại rất độc. Vì vậy nitrate thường bị khử tiếp thành N₂ trong quá trình gọi là phản nitrate hóa (denitrification). Mỗi nitrate sẽ nhận 5e và sản phẩm sẽ là không độc.

2 NO₃^­- + 10e^- + 12H⁺ N₂ + 6H₂O

Phản nitrate hoá là một quá trình nhiều bước bao gồm 4 enzyme tham gia: nitrate-, nitrite-, oxyt nitric- và oxyt nitrơ-reductase.

NO₃^­-→ NO₂^­- → NO → N₂O →N₂

Đáng chú ý, một trong các chất trung gian là oxyt nitric (NO). Ở động vật có vú NO tác dụng như một chất dẫn truyền thần kinh đóng vai trò điều chỉnh huyết áp và được các đại thực bào sử dụng để tiêu diệt vi khuẩn cũng như các tế bào u. Ở vi khuẩn có hai loại nitrite reductase xúc tác sự tạo thành NO: một loại chứa các Cytochrome c và d₁ (ở Paracoccus và Pseudomonas aeruginosa) và một loại là protein chứa đồng (ở Alcaligenes). Ở vi khuẩn gram âm nitrite reductase có lẽ nằm trong chu chất. Oxyt nitric reductase xúc tác việc tạo thành oxyt nitrơ từ NO và là một phức hợp Cytochrome bc gắn vào màng. Phản nitrate được nghiên cứu kỹ ở vi khuẩn đất, gram âm Paracoccus denitrificans; vi khuẩn này có khả năng khử nitrate thành N₂ trong điều kiện kỵ khí. Chuỗi vận chuyển electron ở chúng chứa nitrate - reductase và oxyt nitric - reductase gắn vào màng còn nitrite reductase và oxyt nitrơ - reductase thì tồn tại trong chu chất (Hình 16b). 4 enzyme sử dụng các electron từ CoQ và các Cytochrome typ c để khử nitrate và sản ra PMF.

Phản nitrate hoá gặp ở một số loài thuộc các chi Pseudomonas, Paracoccus và Bacillus. Chúng sử dụng con đường này thay cho hô hấp hiếu khí bình thường và có thể được xem là các vi khuẩn kỵ khí tuỳ tiện. Khi O₂ có mặt chúng thực hiện hô hấp hiếu khí (tổng hợp nitrate reductase bị kiềm chế bởi O₂). Trong đất kỵ khí phản ứng nitrate hoá dẫn đến sự mất (tổn thất) nitơ của đất và ảnh hưởng xấu đến độ phì của đất.

Hai nhóm vi khuẩn chủ yếu khác sử dụng hô hấp kỵ khí là các vi khuẩn kỵ khí bắt buộc. Bọn sử dụng CO₂ hoặc carbonat làm chất nhận electron tận cùng được gọi là các vi khuẩn sinh metan vì chúng khử CO₂ thành metan (CH₄). Sulfate cũng có thể đóng vai trò như chất nhận electron tận cùng ở vi khuẩn Desulfovibrio. Sulfate bị khử thành sulfua (S^2- hoặc H₂S) và 8 electron được tiếp nhận.

SO₄^2- + 8e^- + 8H⁺ → S^2- + 4H₂O

So với hô hấp hiếu khí - hô hấp kỵ khí kém hiệu quả hơn trong việc tổng hợp ATP nghĩa là việc phosphoryl hoá oxy hoá với các chất nhận electron tận cùng là nitrate, sulfate hoặc CO₂ cho ít ATP hơn. Sản lượng ATP giảm đi bắt nguồn từ chỗ các chất nhận electron nói trên có thể khử kém dương hơn so với O₂. Sự khác nhau trong thế khử giữa chất cho như NADH và nitrate là nhỏ hơn sự khác nhau giữa NADH và O₂. Vì sản lượng năng lượng trực tiếp liên quan với độ lớn của sự khác nhau trong thế khử nên ít năng lượng hơn được cung cấp cho việc tạo thành ATP trong hô hấp kỵ khí. Tuy nhiên hô hấp kỵ khí là có ích vì có hiệu quả hơn lên men và cho phép tổng hợp ATP nhờ vận chuyển electron và phosphoryl hoá oxy hoá trong điều kiện vắng mặt O₂. chiếm ưu thế trong các đất và các bùn kỵ khí.

Thường ta quan sát sự kế tiếp của các vi sinh vật trong một môi trường khi có mặt một số chất nhận electron. Chẳng hạn, nếu trong môi trường đặc biệt tồn tại O₂, nitrate, ion mangan, ion ferric (Fe³⁺), sulfate và CO₂ ta sẽ thấy diễn ra thứ tự dự đoán của việc sử dụng chất nhận electron khi có mặt một cơ chất có thể oxy hoá thích hợp với chủng quần (population) vi sinh vật. Oxy được sử dụng trước tiên như một chất nhận electron vì nó kìm hãm việc sử dụng nitrate bởi các vi sinh vật có khả năng hô hấp với O₂ cũng như với nitrate. Khi O₂ có mặt caácvi khuẩn khử sulfate và vi khuẩn sinh metan bị kìm hãm vì chúng là bọn kỵ khí bắt buộc.

Một khi O₂ và nitrate bị cạn kiệt và các sản phẩm lên men, kể cả hydro, được tích luỹ thì sẽ bắt đầu diễn ra sự cạnh tranh sử dụng cac chất nhận electron khác. Mangan và sắt sẽ được sử dụng đầu tiên, tiếp theo là sự tranh giành giữa vi khuẩn sử dụng sulfate và vi khuẩn sinh metan. Sự cạnh tranh chịu ảnh hưởng bởi sản lượng năng lượng lớn hơn thu được với sulfate là chất nhận electron. Cũng quan trọng là sự khác nhau trong ái lực của enzyme đối với hydro vì đây là cơ chất phổ biến của cả hai nhóm vi khuẩn. Vi khuẩn khử sulfate Desulfovibrio sinh trưởng nhanh và sử dụng hydro sẵn có với tốc độ nhanh hơn Methanobacterium. Khi sulfate cạn kiện Desulfovibrio không oxy hoá hydro nữa và nồng độ hydro tăng lên. Cuối cùng vi khuẩn sinh metan chiếm ưu thế và khử CO₂ thành CH₄.