Hóa tự dưỡng và Tự dưỡng

Các vi sinh vật hóa tự dưỡng bảo tồn năng lượng từ quá trình oxy hóa các hợp chất vô cơ, và nhiều loài cũng cố định carbon dioxide một cách tự dưỡng, một sự kết hợp hỗ trợ sự sống trong các môi trường không có chất hữu cơ.

Definition

Hóa tự dưỡng là một phương thức trao đổi chất trong đó các hợp chất vô cơ đóng vai trò là chất cho điện tử để bảo tồn năng lượng, và tự dưỡng là việc sử dụng carbon vô cơ, điển hình là carbon dioxide, làm nguồn carbon chính cho quá trình sinh tổng hợp.

Scope

Chủ đề này bao gồm quá trình oxy hóa các chất cho điện tử vô cơ như hydro, các hợp chất lưu huỳnh và nitơ khử, và sắt hóa trị hai; năng lượng và sinh thái học của quá trình nitrat hóa, oxy hóa lưu huỳnh và các quá trình liên quan; và các con đường tự dưỡng, bao gồm chu trình Calvin, qua đó carbon vô cơ được chuyển đổi thành vật liệu tế bào. Nó nhấn mạnh các khả năng trao đổi chất phần lớn chỉ giới hạn ở sinh vật nhân sơ.

Core questions

• Những hợp chất vô cơ nào có thể đóng vai trò là nguồn năng lượng cho vi sinh vật?
• Năng lượng được bảo tồn từ quá trình oxy hóa vô cơ như thế nào?
• Các sinh vật tự dưỡng cố định carbon dioxide thành vật liệu tế bào như thế nào?
• Tại sao các sinh vật hóa tự dưỡng lại quan trọng trong các chu trình địa hóa sinh học?

Key concepts

• Chất cho điện tử vô cơ
• Quá trình nitrat hóa và oxy hóa lưu huỳnh
• Cố định carbon tự dưỡng
• Chu trình Calvin và các con đường cố định thay thế
• Vai trò trong các chu trình địa hóa sinh học

Key theories

Hóa tự dưỡng

Winogradsky đã xác định rằng một số vi sinh vật thu năng lượng bằng cách oxy hóa các hợp chất vô cơ thay vì chất hữu cơ, chứng minh một phương thức sống độc lập với carbon hữu cơ có sẵn và đóng vai trò trung tâm trong chu trình nguyên tố.

Mechanisms

Các sinh vật hóa tự dưỡng oxy hóa các chất cho vô cơ như hydro, amoniac, nitrit, sulfua hoặc sắt hóa trị hai, dẫn các điện tử được giải phóng qua chuỗi vận chuyển để tạo ra lực vận động proton cho quá trình tổng hợp ATP. Bởi vì nhiều sinh vật như vậy không thể sử dụng carbon hữu cơ, chúng cố định carbon dioxide thông qua các con đường tự dưỡng như chu trình Calvin, đòi hỏi một lượng năng lượng đáng kể và lực khử được cung cấp bởi quá trình trao đổi chất vô cơ của chúng.

Clinical relevance

Các vi sinh vật hóa tự dưỡng và tự dưỡng thúc đẩy các bước quan trọng của chu trình nitơ, lưu huỳnh và sắt, góp phần vào độ phì nhiêu của đất và sự ăn mòn, phong hóa vật liệu, đồng thời duy trì các hệ sinh thái tại các miệng phun thủy nhiệt dưới đáy biển sâu và các môi trường khác không có ánh sáng mặt trời hoặc đầu vào hữu cơ.

History

Sergei Winogradsky đã khám phá ra hóa tự dưỡng vào những năm 1880 thông qua các nghiên cứu về vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh và nitơ, giới thiệu khái niệm về các vi sinh vật sống dựa vào các nguồn năng lượng vô cơ và cùng với Martinus Beijerinck, ông đã đặt nền móng cho lĩnh vực sinh thái học vi sinh vật.

Key figures

• Sergei Winogradsky
• Martinus Beijerinck

Seminal works

• madigan2018
• willey2020

Frequently asked questions

Có phải tất cả các sinh vật hóa tự dưỡng đều là sinh vật tự dưỡng không?

Nhiều loài là như vậy, cố định carbon dioxide để sinh tổng hợp, nhưng hai đặc điểm này là riêng biệt. Hóa tự dưỡng đề cập đến nguồn năng lượng (các hợp chất vô cơ), trong khi tự dưỡng đề cập đến nguồn carbon (carbon vô cơ). Một số sinh vật kết hợp cả hai và một số thì không.