SINH HỌC VI SINH VẬT

Chương I

CHUYỂN HOÁ VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Ở VI SINH VẬT

A - Lý thuyết

I- DINH DƯỠNG, CHUYỂN HOÁ VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Ở VI SINH VẬT

1. Khái niệm vi sinh vật

Vi sinh vật là những cơ thể sống (hầu hết là đơn bào) có kích thước rất nhỏ bé (chỉ nhìn thấy dưới kính hiển vi), đường kính tế bào chỉ khoảng 0,2 – 2$\mu m$ (đối với vi sinh vật nhân sơ) và 10 – 100 $\mu m$ (đối với vi sinh vật nhân thực).

Đặc điểm chung của vi sinh vật là hấp thụ, chuyển hoá chất dinh dưỡng và sinh trưởng nhanh, phân bố rộng.

2. Môi trường và các kiểu dinh dưỡng

a) Các loại môi trường cơ bản

Để nuôi cấy vi sinh vật trong phòng thí nghiệm, người ta phải chuẩn bị môi trường cho chúng sinh trưởng và phát triển. Có hai loại môi trường cơ bản.

* Môi trường tự nhiên là môi trường chứa các chất tự nhiên không xác định được số lượng, thành phần như: cao thịt bò, pepton, cao nấm men. Pepton là dịch thủy phân một phần của thịt bò, cazein, bột đậu tương... dùng làm nguồn cacbon, năng lượng và nitơ. Cao thịt bò chứa các axit amin, peptit, nucleotit, axit hữu cơ, vitamin và một số chất khoáng. Cao nấm men là nguồn phong phú các vitamin nhóm B cũng như nguồn nitơ và cacbon.

* Môi trường tổng hợp là môi trường chứa các chất đều đã biết thành phần hoá học và số lượng. Nhiều vi khuẩn hoá dưỡng hữu cơ có thể sinh trưởng trong môi trường chứa glucôzơ là nguồn cacbon và muối amôn là nguồn nitơ.

* Môi trường bán tổng hợp là môi trường chứa một số chất tự nhiên không xác định được thành phần và số lượng pepton, cao thịt, cao nấm men và các chất hoá học đã biết thành phần và số lượng...

Để nuôi cấy vi sinh vật, trên bề mặt môi trường đặc người ta thêm vào môi trường lỏng nói trên 1,5 – 2% thạch (agar). Thạch có một số ưu điểm phù hợp với việc nuôi cấy vi sinh vật (không bị các vi sinh vật phân giải, nóng chảy ở nhiệt độ 100°C, đông lại khi để nguội đến 40 - 42°C).

b) Các kiểu dinh dưỡng

Khác với thực vật và động vật, dinh dưỡng ở vi sinh vật đa dạng hơn. Vì vậy, để phân biệt các kiểu dinh dưỡng ở vi sinh vật, người ta phải dựa vào khai thông số: nguồn năng lượng và nguồn cacbon chủ yếu. Theo đó, tất cả vi sinh vật đều thuộc vào một trong bốn kiểu dinh dưỡng cơ bản sau:

Kiểu dinh dưỡng Nguồn năng lượng Nguồn cacbon chủ yếu Ví dụ
1. Quang tự dưỡng Ánh sáng $CO_{2}$ Tảo, vi khuẩn lam, vi khuẩn lưu huỳnh màu tía, màu lục
2. Quang dị dưỡng Ánh sáng Chất hữu cơ Vi khuẩn tía, vi khuẩn lục không chứa lưu huỳnh
3. Hoá tự dưỡng Chất vô cơ ($NH_{4}^{+}$, $NO_{2}^{-}$, $H_{2}$, $H_{2}S$, $Fe^{2+}$...) $CO_{2}$ Vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn ôxi hoá lưu huỳnh, vi khuẩn ôxi hoá hiđrô...
4. Hoá dị dưỡng Chất hữu cơ Chất hữu cơ Vi sinh vật lên men, hoại sinh...

3. Hô hấp và lên men

Các phản ứng hoá học diễn ra trong tế bào sinh vật được xúc tác bởi các enzim được gọi chung là chuyển hoá vật chất. Quá trình này bao gồm:

- Sinh tổng hợp các cao phân tử từ các chất dinh dưỡng đơn giản hơn.

- Các phản ứng cần cho việc tạo thành các chất giàu năng lượng (hoặc cao năng) dùng cho các phản ứng sinh tổng hợp.

Các kiểu dinh dưỡng của vi sinh vật khác nhau không chỉ ở nguồn năng lượng mà cả ở chất nhận eletron. Vi sinh vật hoá dưỡng (thu nhận năng lượng từ thức ăn) chuyển hoá chất dinh dưỡng qua hai quá trình cơ bản sau đây:

a) Hô hấp

Hô hấp là một hình thức hoá dị dưỡng các hợp chất cacbohiđrat.

* Hô hấp hiếu khí

Hô hấp hiếu khí là quá trình ôxi hoá các phân tử hữu cơ, mà chất nhận electron cuối cùng là ôxi phân tử. Ở vi sinh vật nhân thực, chuỗi chuyền electron ở màng trong ti thể, còn ở vi sinh vật nhân sơ diễn ra ngay trên màng sinh chất.

Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân giải đường là $CO_{2}$ và $H_{2}O$. Ở vi khuẩn, khi phân giải một phân tử glucôzơ tế bào tích lũy được 38 ATP, tức là chiếm 40% năng lượng của phân tử glucôzơ. Có một số vi sinh vật hiếu khí, khi môi trường thiếu một số nguyên tố vi lượng làm rối loạn trao đổi chất ở giai đoạn kế tiếp với chu trình Crep. Như vậy, loại vi sinh vật này thực hiện hô hấp không hoàn toàn.

* Hô hấp kị khí

Hô hấp kị khí là quá trình phân giải cacbohiđrat để thu năng lượng cho tế bào, chất nhận electron cuối cùng của chuỗi chuyền electron là một phân tử vô cơ không phải là ôxi phân tử. Ví dụ, chất nhận electron cuối cùng là $NO_{3}^{-}$ trong hô hấp nitrat, là $SO_{4}^{2-}$ trong hô hấp sunphat.

b) Lên men

Lên men là sự phân giải cacbohiđrat xúc tác bởi enzim trong điều kiện kị khí, không có sự tham gia của một chất nhận electron từ bên ngoài. Chất cho electron và chất nhận electron là các phân tử hữu cơ. Ví dụ:

- Nấm men lên men etilic từ glucôzơ:

- Vi khuẩn lên men lactic từ glucôzơ

Đặc biệt, các vi khuẩn hoá tự dưỡng sử dụng chất cho electron ban đầu là vô cơ và chất nhận electron cuối cùng là ôxi hoặc $SO_{4}^{2-}$, $NO_{3}^{-}$.